MOTS-c: tyrimų vadovas apie mitochondrijų kilmės peptidą metabolizmo ir senėjimo tyrimuose

⚠️ Tik tyrimų tikslams — Šiame straipsnyje MOTS-c aptariamas išimtinai kaip laboratorinių tyrimų junginys. Tai nėra vaisto rekomendacija, dozavimo vadovas ar medicininis patarimas. MOTS-c neskirtas žmonėms vartoti. Jis neskirtas jokiai ligai diagnozuoti, gydyti, išgydyti ar užkirsti jai kelią. Visi toliau pateikiami teiginiai remiasi paskelbtais ikiklinikiniais tyrimais, in vitro tyrimais arba recenzuota literatūra, cituojama tik moksliniam kontekstui.

Įvadas

MOTS-c (mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c) yra trumpas bioaktyvus peptidas, koduojamas mitochondrijų genome, o ne branduolio genome. Jo atradimas, pirmą kartą oficialiai aprašytas 2015 m. [1], reiškė koncepcinį poslinkį mitochondrijų biologijoje: dešimtmečius buvo manoma, kad mitochondrijos iš savo DNR gamina tik 13 baltymų, kurie visi yra neatsiejami elektronų pernašos grandinės komponentai. MOTS-c ir su juo giminingi peptidai (humaninas, SHLP šeima) padidino šį skaičių ir įvedė mitochondrijų kilmės peptidų (MDP) sąvoką — tai signalinės molekulės, o ne vien struktūriniai ar kataliziniai kvėpavimo aparato komponentai [2][3].

Tyrėjams, besidomintiems mitochondrijų biologija ir metaboliniu signalizavimu, MOTS-c yra moksliškai patrauklus, nes veikia kaip retrogradinis signalas — žinutė iš mitochondrijų atgal į branduolį ir į nutolusius audinius — reaguojant į metabolinį stresą. Šiame straipsnyje apžvelgiami paskelbti duomenys apie MOTS-c struktūrą, veikimo mechanizmą ir pagrindines tyrimų sritis, kuriose jis buvo tiriamas.

Molekulinė struktūra ir biochemija

MOTS-c yra 16 aminorūgščių peptidas, kurio paskelbta seka yra Met-Arg-Trp-Gln-Glu-Met-Gly-Tyr-Ile-Phe-Tyr-Pro-Arg-Lys-Leu-Arg. Jį koduoja trumpas atviras skaitymo rėmelis (sORF), įterptas į mitochondrijų 12S rRNR geną, priešingoje grandinėje nei kanoninis rRNR transkriptas. Peptidas transliuojamas citoplazminėse ribosomose pagal mitochondrijų kilmės RNR matricą — savybė, skirianti jį nuo mitochondrijose transliuojamų kvėpavimo grandinės subvienetų [1].

Kadangi mitochondrijų genetinis kodas šiek tiek skiriasi nuo branduolio kodo, MOTS-c sORF koduotų kitokią seką, jei būtų skaitomas mitochondrijų matrikse. Tai, kad MOTS-c transliuojamas citoplazmoje — naudojant standartinį genetinį kodą — yra svarbus mechanistinis aspektas tyrėjams ir turi reikšmės tam, kaip sintetinis MOTS-c yra projektuojamas ir validuojamas lyginant su endogeninėmis formomis.

Pagrindinės biocheminės savybės, svarbios laboratoriniams tyrimams:

• Mažas dydis (~1.9 kDa) daro MOTS-c tinkamą sintetinti standartine kietosios fazės Fmoc peptidų chemija, nereikalaujant sudėtingo susilankstymo.
• Bazinis pobūdis (du argininai, vienas lizinas) suteikia peptidui bendrą teigiamą krūvį esant fiziologiniam pH ir prisideda prie jo sąveikos su rūgštiniais subląsteliniais skyriais ir nukleino rūgštimis.
• Evoliucinis konservatyvumas: Lyginamosios genomikos tyrimai parodė sinoniminių kodonų šališkumą ir didelį N-galo sekos konservatyvumą tarp stuburinių, o tai leidžia manyti, kad MOTS-c ir humaninui veikia natūrali atranka — stiprus argumentas biologinio funkcionalumo naudai [4].
• Subląstelinis pasiskirstymas: MOTS-c randamas mitochondrijose, citoplazmoje, o metabolinio streso metu — branduolyje, kur sąveikauja su į stresą reaguojančiais transkripcijos veiksniais [5].
• Cirkuliuojantis peptidas: MOTS-c aptinkamas žmonių ir graužikų plazmoje, o cirkuliuojantys jo lygiai mažėja su amžiumi paskelbtose tyrimų kohortose [2][6].

Veikimo mechanizmas tyrimų modeliuose

MOTS-c veikia bent dviem mechanistiškai skirtingais būdais, aprašytais paskelbtoje mokslinių tyrimų literatūroje:

1. AMPK aktyvinimas ir folatų ciklo moduliavimas. Pamatiniuose 2015 m. Cohen laboratorijos tyrimuose pranešta, kad MOTS-c poveikis aktyvina AMP aktyvuojamą baltymų kinazę (AMPK) kultivuojamose ląstelėse ir skeleto raumenyse. Mechanizmas apima folatų ciklo ir su juo susieto de novo purinų biosintezės kelio slopinimą, dėl ko kaupiasi AICAR tipo tarpiniai junginiai, aktyvinantys AMPK [1]. Po AMPK aktyvinimo, kaip pranešta, MOTS-c poveikis veikia gliukozės pasisavinimą skeleto raumenyse tiriamosiose pelėse.

2. Retrogradinis signalizavimas į branduolį. 2018 m. tęstiniame tyrime parodyta, kad metabolinio streso metu (gliukozės ribojimas) MOTS-c persikelia iš mitochondrijų ir citoplazmos į branduolį, kur įsijungia į antioksidacinio atsako elemento (ARE) transkripcijos programą ir sąveikauja su į stresą reaguojančiais transkripcijos veiksniais, įskaitant NFE2L2/NRF2 [5]. Tai buvo pirmasis tiesioginis įrodymas, kad mitochondrijų genome užkoduotas peptidas gali reguliuoti branduolio genų raišką, ir tai suteikė molekulinį pagrindą “mitobranduolinei komunikacijai”.

2023 m. tyrimas išplėtė NRF2 sąveikos temą į dopaminerginių neuronų tyrimų modelius, pranešdamas, kad egzogeninis MOTS-c aktyvino Nrf2/HO-1/NQO1 antioksidacinę ašį PC12 ląstelėse ir žiurkės dryžuotajame kūne (striatum), paveiktame rotenonu — mitochondrijų I komplekso inhibitoriumi, naudojamu kaip dopaminerginio neurotoksiškumo tyrimų modelis [7].

Papildomos mechanistinės kryptys paskelbtoje literatūroje apima:

• Riebalinio audinio termogenezė. MOTS-c poveikis šalčiui veikiamoms pelėms padidino rudojo riebalinio audinio termogeninių genų raišką ir skatino baltojo riebalinio audinio “rudėjimą” per ERK signalizavimą [8].
• Skeleto raumenys ir miostatinas. Tyrimuose su diferencijuotais C2C12 miotūbeliais ir dietos sukelto nutukimo pelėmis pranešta, kad MOTS-c mažina miostatino raišką ir atrofijos signalizavimą per CK2-PTEN-mTORC2-AKT-FOXO1 kelią [9].
• Feroptozės slopinimas. 2023 m. tyrime apie miokardo išemijos–reperfuzijos sukeltą ūminį plaučių pažeidimą MOTS-c apibūdintas kaip feroptozės slopiklis, veikiantis per PPARγ signalizavimo kelią ikiklinikiniuose žiurkių ir ląstelių kultūros modeliuose [10].

Pagrindinės tyrimų sritys

1. Metabolinio signalizavimo tyrimai

Metabolinių tyrimų sritis yra seniausia ir nuodugniausiai apibūdinta MOTS-c atžvilgiu. 2015 m. atradimo darbe [1] nustatytos pamatinės išvados, skeleto raumenis įvardijant kaip pagrindinį peptido tikslinį organą, kurio ląstelinis poveikis pasireiškia per AMPK aktyvinimą ir tolesnį poveikį gliukozės apykaitai.

Vėlesni tyrimai nagrinėjo MOTS-c signalizavimą įvairiuose ląstelių ir gyvūnų modeliuose, įskaitant jo molekulinių sąveikų tyrimus kituose audinių kontekstuose. 2024 m. tyrimo ataskaitoje aprašyta MOTS-c sąveika su LARS1 ir USP7 deubikvitinaze ikiklinikiniuose modeliuose [12] — pavyzdys, kaip metabolinio signalizavimo peptidas gali pereiti į kitas tyrimų sritis, kai jo molekuliniai taikiniai yra keliuose ląstelių tipuose.

Tyrėjams, planuojantiems metabolinius eksperimentus, MOTS-c yra naudingas atsvaras insulinui ar metforminui kaip AMPK aktyvinantis zondas, nes jo aktyvinimo kelias yra mechanistiškai skirtingas (per folatų ciklo tarpinius junginius, o ne per tiesioginį alosterinį prisijungimą).

2. Senėjimo biologijos tyrimai

MOTS-c tapo reikšmingo susidomėjimo objektu senėjimo tyrimuose, nes: (a) cirkuliuojantys MOTS-c lygiai mažėja su amžiumi žmonių kohortose [2][6]; (b) mitochondrijų disfunkcija yra vienas iš pagrindinių “senėjimo požymių” [6]; ir (c) egzogeninio MOTS-c skyrimas keičia kelis su amžiumi susijusius metabolinius fenotipus tiriamosiose pelėse [1].

2022 m. apžvalgoje susisteminti paskelbti duomenys apie MOTS-c raišką ir signalizavimą senėjimo tyrimų modeliuose, MOTS-c pristatant tiek kaip biožymenį, tiek kaip tyrimų zondą [6]. 2023 m. transliacinėje apžvalgoje žurnale Frontiers in Endocrinology apžvelgta MOTS-c raiška įvairiuose audiniuose, jo mažėjimas su amžiumi ir kylanti galimybė taikyti sintetinės biologijos metodus jo raiškai moduliuoti tyrimų aplinkoje [13].

Senėjimo srities tyrėjams MOTS-c moksliškai naudingas kaip dvigubas rodmuo: cirkuliuojantys lygiai gali būti mitochondrijų sekrecinės funkcijos biožymuo, o egzogeninis skyrimas suteikia intervencinį mitobranduolinės komunikacijos ašies zondą [5][6].

3. Skeleto raumenų signalizavimo tyrimai

Skeleto raumenų signalizavimas yra besivystanti MOTS-c tyrimų sritis. 2016 m. laisvųjų radikalų biologijos apžvalgoje Lee ir kt. aptarė MOTS-c raumenų ir riebalų metabolizmo kontekste, pažymėdami, kad jo pagrindinis tikslinis organas (skeleto raumuo) yra audinys, kuriame AMPK signalizavimas yra centrinis metabolinės adaptacijos tarpininkas [3]. Vėlesni tyrimai pranešė apie nuo MOTS-c priklausančius poveikius raumenų genų raiškai ikiklinikiniuose modeliuose.

Miostatino darbas [9] šiai tyrimų sričiai aktualus molekuliniu lygmeniu: tyrimuose su diferencijuotais miotūbeliais ir dietos sukelto nutukimo pelėmis pranešta, kad MOTS-c moduliuoja miostatino raišką per CK2/PTEN/AKT/FOXO1 ašį, suteikdamas mechanistinę atramą tyrėjams, siekiantiems susieti mitochondrijų streso signalus su raumenų baltymų apykaita.

Stabilumas, laikymas ir tvarkymas laboratorijoje

Tvarkymo požiūriu MOTS-c yra palyginti nesudėtingas peptidas, tačiau tyrėjai turėtų atkreipti dėmesį į kelis praktinius aspektus:

• Liofilizuota forma: Tiekiamas MOTS-c paprastai yra balti liofilizuoti milteliai. Ilgalaikis laikymas -20°C arba -80°C temperatūroje sausoje aplinkoje yra standartinė tyrimų praktika. Prieš atidarant flakonus reikėtų palaikyti, kol jie sušils iki kambario temperatūros, kad būtų išvengta atmosferos drėgmės kondensacijos.
• Atskiedimas: Sterilus vanduo arba 0.1% acto rūgštis yra dažni MOTS-c atskiedimo tirpikliai tyrimų protokoluose. Jo baziniai aminorūgščių likučiai suteikia pakankamą tirpumą vandenyje; kai kurie tyrėjai pirminiam ištirpinimui naudoja praskiestą acto rūgštį, po to skiesdami buferiu.
• Jautrumas pH: Kaip ir daugumos peptidų su triptofano ir metionino liekanomis (MOTS-c turi vieną Trp ir du Met), reikėtų vengti ilgalaikio veikimo oksiduojančiomis sąlygomis. Kiekybiniam tyrimų darbui rekomenduojami degazuoti buferiai ir rudo stiklo flakonai.
• Alikvotavimas: Pakartotiniai užšaldymo–atšildymo ciklai spartina skaidymąsi. Geriausia praktika — atskiesti vieną kartą, išdalyti į vienkartinio naudojimo tūrius ir laikyti užšaldytą. Darbinius praskiedimus reikėtų ruošti šviežius eksperimento dieną.
• Charakterizavimas: Tyrimų klasės medžiagai rekomenduojamas patvirtinimas HPLC ir masių spektrometrija, ypač atsižvelgiant į MOTS-c panašumą į peptidų fragmentus, kurie gali atsirasti kaip sintezės šalutiniai produktai.

Tyrimų aspektai ir apribojimai

Prieštaringi literatūros duomenys apie receptorius. Skirtingai nei daugelis peptidinių hormonų, MOTS-c paskelbtoje literatūroje neturi aiškiai apibrėžto vieno ląstelės paviršiaus receptoriaus. Jo tarpląstelinis mechanizmas per AMPK aktyvinimą ir persikėlimą į branduolį yra gerai pagrįstas, tačiau ląstelinio pasisavinimo mechanizmas — ir tai, ar jis susijęs su specifiniais pernešėjais, ar su nespecifine endocitoze — tebėra aktyvi tyrimų sritis.

Rūšių ir audinių specifiškumas. Dauguma mechanistinių tyrimų atlikti graužikų arba žmogaus ląstelių linijų sistemose. Translacinė ekstrapoliacija į kitas rūšis ar į audinius su maža MOTS-c raiška reikalauja atsargaus interpretavimo.

Endogeninio MOTS-c tyrimų kintamumas. Kadangi MOTS-c yra mažas, labai bazinis ir plazmoje randamas mažomis koncentracijomis, kiekybinis nustatymas remiasi imunologiniais tyrimais (imunotestais), kurių našumas įvairavo skirtingose paskelbtose tyrimų ataskaitose. Tyrėjai, planuojantys biožymenų tyrimus, turėtų validuoti savo tyrimo metodą naudodami rekombinantinius arba sintetinius etalonus.

Sintetinio produkto nevienalytiškumas. MOTS-c tiekiamas iš daugelio tyrimų tiekėjų, esant skirtingam grynumui. Kiekybiniam tyrimų darbui minimalūs reikalavimai yra HPLC grynumas >95% ir pilnos sekos patvirtinimas masių spektrometrija.

Riboti tyrimai su žmonėmis. Didžioji dauguma paskelbtų MOTS-c tyrimų yra ikiklinikiniai (in vitro arba su graužikais). Duomenys apie žmones daugiausia yra stebėjimo pobūdžio (cirkuliuojantys lygiai kaip biožymuo), o kontroliuojami intervenciniai tyrimai tebėra atvira tyrimų sritis.

Dažnai užduodami tyrimų klausimai

1 klausimas: ar MOTS-c yra hormonas, signalinis peptidas, ar tarpląstelinis reguliatorius?
Paskelbtuose tyrimuose MOTS-c apibūdintas visais trimis būdais. Jis aptinkamas kraujotakoje (į hormoną panašus), veikia nutolusius tikslinius audinius, tokius kaip skeleto raumenys (parakrininis / endokrininis signalizavimas), ir persikelia į branduolį, kad reguliuotų genų raišką (tarpląstelinis reguliatorius) [1][5][6]. Tyrėjai turėtų nurodyti, kurį būdą jie tiria konkrečiame eksperimente.

2 klausimas: kuo MOTS-c skiriasi nuo humanino — kito pagrindinio mitochondrijų kilmės peptido?
Tiek MOTS-c, tiek humaninas yra koduojami trumpų atvirų skaitymo rėmelių atitinkamai mitochondrijų 12S ir 16S rRNR srityse. Vis dėlto humaninas pirmiausia pasižymi antiapoptoziniu ir neuroprotekciniu poveikiu per ląstelės paviršiaus receptorius (FPR2/3, CNTFR/WSX-1/gp130), o MOTS-c veikia daugiausia per tarpląstelinį AMPK aktyvinimą ir persikėlimą į branduolį [3][4]. Jų funkciniai repertuarai sutampa metabolinio ir atsako į stresą signalizavimo lygmeniu, tačiau skiriasi mechanistiškai.

3 klausimas: kokie yra įrodymai, kad MOTS-c yra tikras bioaktyvus peptidas, o ne transliacinis kuriozas?
Stipriausi įrodymai kyla iš (a) MOTS-c poveikių atkuriamumo daugelyje nepriklausomų laboratorijų nuo 2015 m. [1][5][11], (b) jo koduojančios sekos evoliucinio konservatyvumo pagal sinoniminių kodonų šališkumo analizę [4] ir (c) biologinių fenotipų, kuriuos sukelia sintetinis MOTS-c apibrėžtuose ikiklinikiniuose modeliuose. Skepticizmas išlieka tinkamas bet kokiam konkrečiam teiginiui, tačiau bendri įrodymai patvirtina MOTS-c kaip funkcinį MDP.

4 klausimas: kokios yra standartinės teigiamos MOTS-c eksperimentų kontrolės?
AMPK aktyvinimo eksperimentuose kaip teigiamos kontrolės paprastai naudojami AICAR arba metforminas [1]. Persikėlimo į branduolį tyrimuose kaip teigiamos NRF2/ARE kelio kontrolės naudojami oksidaciniai stresoriai, tokie kaip tret-butilo hidroperoksidas arba gliukozės ribojimas [5]. Fizinio krūvio fiziologijos tyrimuose natūrali teigiama kontrolė yra pats ūmus fizinis krūvis.

5 klausimas: ar MOTS-c galima išmatuoti klinikiniuose plazmos mėginiuose?
Taip, keliuose paskelbtuose tyrimuose pranešta apie cirkuliuojančio MOTS-c matavimus žmonių kohortose naudojant ELISA pagrindu veikiančius tyrimus [2][6]. Vis dėlto tyrimų kintamumas ir maži mėginių tūriai tebėra techniniai iššūkiai. Tyrėjai, ketinantys naudoti MOTS-c kaip biožymenį, turėtų validuoti savo tyrimo metodą lygindami su sintetiniais peptido etalonais ir pateikti išgavos, tiesiškumo ir kintamumo tarp tyrimų duomenis.

Literatūra

Pagal PubMed, toliau nurodyti recenzuoti straipsniai buvo naudojami kaip pirminiai šaltiniai šiai tyrimų apžvalgai. DOI nuorodos pateikiamos ten, kur jos prieinamos.

1. Lee C, Zeng J, Drew BG, et al. The mitochondrial-derived peptide MOTS-c promotes metabolic homeostasis and reduces obesity and insulin resistance. Cell Metab. 2015;21(3):443-54. PMID: 25738459. DOI
2. Cobb LJ, Lee C, Xiao J, et al. Naturally occurring mitochondrial-derived peptides are age-dependent regulators of apoptosis, insulin sensitivity, and inflammatory markers. Aging (Albany NY). 2016;8(4):796-809. PMID: 27070352. DOI
3. Lee C, Kim KH, Cohen P. MOTS-c: A novel mitochondrial-derived peptide regulating muscle and fat metabolism. Free Radic Biol Med. 2016;100:182-187. PMID: 27216708. DOI
4. Gruschus JM, Morris DL, Tjandra N. Evidence of natural selection in the mitochondrial-derived peptides humanin and SHLP6. Sci Rep. 2023;13(1):14110. PMID: 37644144. DOI
5. Kim KH, Son JM, Benayoun BA, Lee C. The Mitochondrial-Encoded Peptide MOTS-c Translocates to the Nucleus to Regulate Nuclear Gene Expression in Response to Metabolic Stress. Cell Metab. 2018;28(3):516-524.e7. PMID: 29983246. DOI
6. Mohtashami Z, Singh MK, Salimiaghdam N, Ozgul M, Kenney MC. MOTS-c, the Most Recent Mitochondrial Derived Peptide in Human Aging and Age-Related Diseases. Int J Mol Sci. 2022;23(19):11991. PMID: 36233287. DOI
7. Xiao J, Zhang Q, Shan Y, et al. The Mitochondrial-Derived Peptide (MOTS-c) Interacted with Nrf2 to Defend the Antioxidant System to Protect Dopaminergic Neurons Against Rotenone Exposure. Mol Neurobiol. 2023;60(10):5915-5930. PMID: 37380822. DOI
8. Lu H, Tang S, Xue C, et al. Mitochondrial-Derived Peptide MOTS-c Increases Adipose Thermogenic Activation to Promote Cold Adaptation. Int J Mol Sci. 2019;20(10):2456. PMID: 31109005. DOI
9. Kumagai H, Coelho AR, Wan J, et al. MOTS-c reduces myostatin and muscle atrophy signaling. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2021;320(4):E680-E690. PMID: 33554779. DOI
10. Lu P, Li X, Li B, et al. The mitochondrial-derived peptide MOTS-c suppresses ferroptosis and alleviates acute lung injury induced by myocardial ischemia reperfusion via PPARγ signaling pathway. Eur J Pharmacol. 2023;953:175835. PMID: 37290680. DOI
11. Yin Y, Pan Y, He J, et al. The mitochondrial-derived peptide MOTS-c relieves hyperglycemia and insulin resistance in gestational diabetes mellitus. Pharmacol Res. 2021;175:105987. PMID: 34798268. DOI
12. Yin Y, Li Y, Ma B, et al. Mitochondrial-Derived Peptide MOTS-c Suppresses Ovarian Cancer Progression by Attenuating USP7-Mediated LARS1 Deubiquitination. Adv Sci (Weinh). 2024;11(43):e2405620. PMID: 39321430. DOI
13. Zheng Y, Wei Z, Wang T. MOTS-c: A promising mitochondrial-derived peptide for therapeutic exploitation. Front Endocrinol (Lausanne). 2023;14:1120533. PMID: 36761202. DOI

---

Atsakomybės apribojimas: Visi CertaPeptides parduodami produktai skirti tik laboratoriniams tyrimams. Neskirti naudoti žmonėms ar veterinarijoje. Neskirti vartoti. Šis straipsnis pateikiamas moksliniais ir švietimo tikslais ir nėra medicininis patarimas, dozavimo rekomendacija ar kokio nors konkretaus naudojimo patvirtinimas. Tyrėjai yra atsakingi už visų taikomų institucinių, nacionalinių ir tarptautinių reglamentų, reguliuojančių peptidinių tyrimų junginių įsigijimą, tvarkymą ir tyrimą, laikymąsi.