細胞老化とミトコンドリア　同仁化学研究所

細胞老化とミトコンドリアの関係

老化した細胞では、ミトコンドリアの機能障害により、ATPは主に嫌気的解糖経路で生成され、乳酸産生の増加につながります²⁾。DNA損傷は、細胞老化におけるミトコンドリア機能不全の原因の一つでとして知られている。DNA損傷の蓄積はDNA修復機構を活性化し、NAD⁺の消費を増加させます。NAD⁺レベルの低下は、ミトコンドリア機能維持に重要な因子であるSIRT1活性を低下させ、ミトコンドリア機能の障害（電子伝達の阻害→ATP産生／NAD⁺レベルの低下）につながります^1),3)。

参考文献:

1. J. Wu, Z. Jin, H. Zheng and L. Yan, “Sources and implications of NADH/NAD+redox imbalance in diabetes and its complications”, Diabetes Metab. Syndr. Obes., 2016, 9, 145

2. Z. Feng, R. W. Hanson, N. A. Berger and A. Trubitsyn, “Reprogramming of energy metabolism as a driver of aging”, Oncotarget., 2016, 7(13), 15410.

3. S. Imai and L. Guarente, “NAD+ and sirtuins in aging and disease”, Trends in Cell Biology, 2014, 24(8), 464.

酸化ストレス & 老化促進:

①SA-β-gal

ミトコンドリア機能不全:

③ Mitochondrial membrane potential

④ Oxygen consumption rate (OCR)

⑤ ADP/ATP ratio

解糖系とグルタミン代謝の活性化:

⑥ Glucose consumption

⑦ Lactate production

⑧ Glutamine consumption

抗酸化力の低下:

⑨ NADPH/NADP⁺ ratio

DNA修復:

⑩ NAD⁺/NADH Ratio

論文情報：ミトコンドリア機能と老化

題名

Neuronal induction of BNIP3-mediated mitophagy slows systemic aging in Drosophila
Schmid, E. et al., Nature Aging, 2022, 2, 494-507

要点

1. ショウジョウバエの脳では、加齢によってミトコンドリア量が増加する一方で、マイトファジーが減少する。

2. 成体神経系でBNIP3を誘導するとマイトファジーが誘導され、老化脳における機能不全ミトコンドリアの蓄積が抑制される。

3. 神経系でBNIP3を誘導すると、マイトファジーが促進され、生物の寿命と健康寿命が延長する。

4. 神経系におけるBNIP3を介したマイトファジーは、老化したハエの筋肉と腸の恒常性を改善する。

題名

Mitochondrial contribution to lipofuscin formation
König, J. et al., Redox Biol, 2017, 11, 673-681

要点

1. 老化した細胞におけるマイトファジーの障害は、ミトコンドリアの量とスーパーオキシドの形成を増加させる。さらに、ミトコンドリアの分裂を阻害すると、リポフスチンの形成も増加する。

2. Lonプロテアーゼのダウンレギュレーションは、リポフスチン形成の増加と関連しているが、ミトコンドリアを標的とした抗酸化剤mitoTEMPOの塗布は、これらのタンパク質凝集体の蓄積を防ぐ。

題名

Age-associated changes in human CD4+ T cells point to mitochondrial dysfunction consequent to impaired autophagy
Bektas, A. et al., Aging, 2019, 11(21), 9234-9263

要点

1. 加齢はCD4+Tリンパ球における持続的なミトコンドリア機能障害と関連しており、マイトファジーのターンオーバーにおける欠陥は慢性炎症を誘発し、高齢者における免疫防御の障害につながる可能性がある。

2. これらの結果は、ミトコンドリアの機能障害、マイトファジーの障害、加齢との関連を強調し、細胞の加齢や加齢関連疾患におけるミトコンドリアの品質管理の重要な役割を裏付けている。

過酸化脂質の蓄積と細胞老化およびミトコンドリアとの関係

脂質毒性は細胞内脂質の蓄積によって引き起こされ、ミトコンドリアの機能不全を示します。脂質毒性は細胞老化を促進し、癌の発生にも影響を及ぼします。

① Lipid Droplet Detection

② Mitochondria Dynamics

③ Senescence Marker Detection

④ Monitoring Mitochondrial Membrane Potential

⑤ Mitophagy Detection/Lysosome Detection

⑥ Lipid Peroxide Detection

⑦ Glucose Uptake Detection

⑧ Total ROS Detection/Mitochondrial Superoxide Detection

⑨ Cell Cycle Analysis

参考論文

1. Clara, C. al., “Mitochondria: Are they causal players in cellular senescence?”, Biochimica et Biophysica Acta – Bioenergetics, 2015, 1847(11), 1373-1379.

2. Huizhen, Z. et al., “Lipidomics reveals carnitine palmitoyltransferase 1C protects cancer cells from lipotoxicity and senescence”, Journal of Pharmaceutical Analysis, 2020.

3. Xiaojuan, H. et al., “Astrocyte Senescence and Alzheimer’s Disease: A Review”, Front. Aging Neurosci., 2020.

4. Borén, J. et al., “Apoptosis-induced mitochondrial dysfunction causes cytoplasmic lipid droplet formation”, Cell Death Differ, 2012, 19(9), 1561-1570.

5. Na, L. et al., “Aging and stress induced β cell senescence and its implication in diabetes development”, Aging (Albany NY), 2019, 11(21), 9947–9959.

ミトコンドリアとリソソーム、そして鉄による老化制御

老化は細胞分裂の停止をもたらす細胞プロセスであり、多くの場合、潜在的がん細胞を含む損傷細胞の増殖に対する防御機構として機能します。このプロセスは、腫瘍抑制遺伝子、DNA損傷応答（DDR）経路、様々なシグナル伝達分子など、多くの因子によって複雑に制御されています。加えて、サイトカイン、成長因子、プロテアーゼからなる老化関連分泌表現型（SASP）は、NF-κBや他の転写因子によって制御され、組織の微小環境に影響を与え、老化や病気のプロセスに影響を与えます。

HKDC1, a target of TFEB, is essential to maintain both mitochondrial and lysosomal homeostasis, preventing cellular senescence
Click here for the original article: Mengying Cui, et. al., PNAS, 2023.

要点

- 解糖に関与するタンパク質HKDC1は、転写因子TFEBの直接標的であり、ミトコンドリアとリソソームの両方の機能維持に必須である。

- この活性は細胞の老化を防ぎ、細胞の恒常性維持に重要な役割を果たしている。

- HKDC1は、解糖における役割を超えて、マイトファジーとリソソームの修復過程に独立して貢献している。

Iron accumulation drives fibrosis, senescence and the senescence-associated secretory phenotype
Click here for the original article: Mate Maus, et. al., Nature, 2023.

要点

- 血管傷害と溶血傷害が鉄蓄積の引き金となり、老化を引き起こし、線維化を促進する。

- 老化細胞は、細胞外の鉄の増加が収まった後も、持続的に鉄を蓄積する。

- 様々なタイプの老化を誘発する傷害にさらされた細胞は、フェリチンと結合した鉄を、主にリソソーム内に大量に蓄積する。

- 高レベルの不安定な鉄は、活性酸素の発生とSASPを促進する。

Microautophagy regulated by STK38 and GABARAPs is essential to repair lysosomes and prevent aging
Click here for the original article: Monami Ogura, et. al., EMBP Reports, 2023.

要点

- 損傷したリソソームの修復におけるマイクロオートファジーは老化を防ぐ。

- STK38とGABARAPはこのプロセスの重要な制御因子である。

- STK38はVPS4のリソソームへのリクルートメントに必要であり、GABARAPはESCRTのアセンブリーに関与している。

- これらの制御因子の欠失は、細胞の老化を促進し、寿命を縮める。

関連製品

細胞老化検出

SPiDER-βGal for live-cell imaging or flow cytometry / microplate reader / tissue samples.

オートファジー経路検出

Autophagic Flux Assay Kit

オートファゴソーム/オートリソソーム検出

DAPGreen / DAPRed (オートファゴソーム/オートリソソーム検出), DALGreen (オートリソソーム検出)

リソソーム機能検出

Lysosomal Acidic pH Detection Kit-Green/Red and Green/Deep Red

Fe²⁺検出

FerroOrange(細胞内), Mito-FerroGreen(ミトコンドリア)

ミトコンドリアROS検出

MitoBright ROS Deep Red - Mitochondrial Superoxide Detection

細胞外酸素消費（OCR）検出

Extracellular OCR Plate Assay Kit

関連技術情報：老化誘導におけるリソソームpHと量の変化

目的：ドキソルビシン（DOX）処理により老化に誘導されたA549細胞のリソソーム量とpHの変化を調べる。

方法： 老化関連β-ガラクトシダーゼ（SA-βGal）活性はCellular Senescence Detection Kit - SPiDER-βGalを用いて検出した。ライソゾーム量はLysoPrime Deep Redを用いて検出し、pHはpHLys Redを用いて検出した。蛍光イメージングを用いて、老化細胞におけるリソソーム量とpHの変化を非老化細胞と比較して観察した。リソソーム量とpH変化をプレートリーダーで測定した。

結果： DOXによって誘導された老化細胞は、非老化細胞と比較してリソソーム量が増加し、pHが酸性化した。得られた結果は、CDK4/6阻害剤パルボシクリブによって誘導された老化細胞におけるリソソーム活性の亢進を示した過去の報告*と一致している。蛍光イメージングとプレートリーダーのデータは、いずれもこれらの知見を裏付けている。

* Miguel Rovira, et. al., Aging Cell (2022)

＜蛍光顕微鏡検出条件＞
SA-βGal(Green):Ex = 488 nm, Em = 490 – 550 nm
Lysosomal pH (Red):Ex = 561 nm, Em = 560 – 620 nm
Lysosomal mass (Deep Red):Ex = 633 nm, Em = 640 – 700 nm

＜プレートリーダー検出条件＞
SA-βGal: Ex = 525 – 535 nm, Em = 550 – 570 nm
Lysosomal pH: Ex = 555 – 565 nm, Em = 590 – 610 nm
Lysosomal mass: Ex = 645 – 655 nm, Em = 690 – 710 nm

<使用製品>
- Cellular Senescence Detection Kit
- LysoPrime Deep Red
- pHLys Red