Proč mají mitochondrie stokrát víc melatoninu než krev? Nová studie mění zavedený model

Klasický model zní jednoduše: tma spustí v šišince tvorbu melatoninu, ten se vyplaví do krve a signalizuje tělu, že má nastat spánek. Tento mechanismus skutečně existuje a funguje jako důležitý cirkadiánní signál, jenže popisuje jen zlomek celkové produkce melatoninu v organismu. Podle přehledového článku z časopisu International Journal of Molecular Sciences má melatonin v mitochondriích dvojí úlohu, přímo zachytává volné radikály a zároveň chrání mitochondrie před jejich nadměrnou tvorbou tím, že udržuje membránový potenciál a omezuje únik elektronů z dýchacího řetězce, čímž vzniká méně reaktivních forem kyslíku už na začátku celého procesu, nejen jejich úklid až následně.

Melatonin se navíc podílí i na takzvané mitofagii, tedy procesu, kterým buňka rozpoznává a odstraňuje poškozené mitochondrie. Podle přehledu publikovaného v databázi PMC funguje mitofagie jako kontrola kvality mitochondrií a melatonin hraje roli při regulaci mitochondriální dynamiky a autofagie, což pomáhá udržovat funkční populaci mitochondrií v buňce. Melatonin tak v mitochondriích plní dvojí funkci, na jedné straně brání poškození zdravých mitochondrií, na druhé straně napomáhá procesu, který ty už poškozené odstraní.

Myšlenka, že mitochondrie melatonin nejen využívají, ale samy si ho i vyrábějí, má konkrétní experimentální základ. Klíčovou studii publikoval tým kolem Ecateriny Suofu v roce 2017 v časopise PNAS. Podle textu studie výzkumníci prokázali, že enzymy AANAT a ASMT potřebné k přeměně serotoninu na melatonin se nacházejí přímo v mitochondriální matrix mozkových buněk, a když izolované mitochondrie inkubovali s deuterovaným serotoninem, vznikal deuterovaný melatonin, což potvrdilo, že si ho mitochondrie skutečně samy syntetizují, nezávisle na dodávce zvenčí.

Rozdíl mezi mitochondriálním a krevním melatoninem je přitom podle dostupné literatury dramatický. Přehledový článek shrnující tuto oblast výzkumu uvádí, že koncentrace melatoninu v izolovaných mitochondriích může být až stokrát vyšší než jeho hladina v krevní plazmě, a na rozdíl od melatoninu vyplavovaného šišinkou nevykazuje mitochondriální melatonin podle stejného zdroje jasný denní a noční rytmus, ale zůstává přítomný průběžně.

Samotná syntetická dráha přitom kopíruje tu, kterou dobře zná i klasická biochemie šišinky: aminokyselina tryptofan se přemění na serotonin, ten pomocí enzymu AANAT na N-acetylserotonin a nakonec pomocí enzymu ASMT na samotný melatonin. Podle přehledu publikovaného v časopise Animals byly oba klíčové enzymy AANAT i ASMT prokázány přímo uvnitř mitochondrií, a nejde přitom jen o mozkové buňky, podobný mechanismus byl popsán i ve vaječných buňkách a dalších tkáních, což naznačuje, že schopnost vyrábět si vlastní melatonin mají mitochondrie napříč celým tělem, nejen v nervové soustavě.

Co přesně mitochondriální produkci melatoninu spouští, se vědci teprve snaží podrobně zmapovat. Podle přehledu v International Journal of Molecular Sciences se za vysokého oxidačního stresu aktivuje transkripční faktor Nrf2, který následně zvyšuje expresi enzymů AANAT a ASMT a tím i lokální produkci melatoninu přímo v místě, kde je obranná reakce nejvíc potřeba. Jinými slovy, mitochondrie si podle všeho dokážou samy vyrobit víc vlastní antioxidační ochrany přesně ve chvíli, kdy čelí zvýšenému riziku poškození, bez ohledu na to, jestli je zrovna den nebo noc.

Toto rozlišení má podle vědců i praktický význam pro výzkum nemocí spojených s poruchou mitochondrií. Přehled zaměřený na neurodegenerativní onemocnění popisuje, že u pacientů s Huntingtonovou chorobou je exprese enzymu AANAT výrazně snížená jak v šišince, tak přímo v postižených mozkových oblastech, což oslabuje lokální ochranu mitochondrií před poškozením a může nemoc dále zhoršovat. Cílená podpora právě tohoto mitochondriálního, nikoli šišinkového melatoninu tak podle autorů představuje jeden ze slibných směrů budoucí terapie.

Zjednodušený model tmy, šišinky a spánku tedy podle novějšího výzkumu popisuje jen jednu ze dvou paralelně fungujících soustav. Vedle cirkadiánního signálu uvolňovaného v noci existuje druhý, lokální systém fungující přímo uvnitř mitochondrií po celém těle, nepřetržitě přes den i v noci, jehož hlavním úkolem není řídit spánek, ale bránit buňku před poškozením zevnitř.