Исследователи выясняют, как различные комбинации мутаций митохондриальной ДНК влияют на организм

На фото: научный сотрудник лаборатории клеточной физиологии и патологии Научно-технологического центра биомедицинской фотоники Андрей Винокуров

Российские ученые в ходе исследования механизмов развития патологий человека, связанных с мутациями ДНК митохондрий, обнаружили, что при определенных сочетаниях мутации могут как усилить, так и нейтрализовать действие друг друга. Работа выполнена сотрудниками подведомственного Минобрнауки России Орловского государственного университета (ОГУ) имени И. С. Тургенева.

Митохондрии — это крошечные органеллы, живущие внутри клеток. Их главная роль — снабжение клетки энергией в виде молекул АТФ, которые являются универсальным топливом, вырабатываемым дыхательной цепью, локализованной во внутренней митохондриальной мембране.

Митохондриальная ДНК (мтДНК) человека представляет собой короткую двуцепочечную кольцевую молекулу, которая составляет лишь около 5 % от всего человеческого генома и содержит 37 генов. Как в любой молекуле ДНК в ней содержатся различные изменения — точечные мутации, делеции (хромосомные перестройки).

«Митохондрии обеспечивают клетки энергией благодаря развитию процессов с участием кислорода. Однако у этого есть обратная сторона: в результате митохондриального дыхания (утилизации клетками вдыхаемого человеком кислорода) образуются очень активные частицы, которые повреждают митохондриальную ДНК. И с возрастом таких повреждений становится все больше. Более того, в отличие от клеточного ядра, в митохондриях нет эффективных «инструментов» для исправления этих повреждений. В результате устойчивые мутации митохондриальной ДНК не только остаются в клетке, но также могут передаваться по наследству ребенку от матери. Опасность накопления повреждений заключается в том, что, достигнув в определенный момент критического уровня, они могут запустить развитие заболеваний, таких как, например, атеросклероз, или ряд нейродегенеративных процессов», — говорит научный сотрудник лаборатории клеточной физиологии и патологии Научно-технологического центра (НТЦ) биомедицинской фотоники Андрей Винокуров.

Конфокальное изображение колокализации митохондрий и лизосом в клетках линии цитоплазматических гибридов с мутациями мтДНК

Орловские ученые выяснили, что некоторые мутации имеют нейтральный характер, то есть не оказывают влияние на клеточный фенотип. Но многие из них негативно влияют на изменение функционирования митохондрий, например на продукцию АТФ или образование в митохондриях активных форм кислорода, повышенное количество которых приводит к окислительному повреждению клетки. Необходимо отметить, что одним из признаков последнего являются новые повреждения мтДНК, то есть возникает замкнутый порочный круг.

«Такой вывод мы сделали благодаря исследованию 13 линий цитоплазматических гибридов, которые имеют различные комбинации мутаций мтДНК — генов комплексов 1 и 3 электронтранспортной цепи, транспортной РНК и рибосомальной РНК. Причем эти линии характеризуются не только различными вариантами сочетаний повреждений митохондриального генома, но и долей мутантных молекул ДНК в клетке (уровнем гетероплазмии). При этом использование биоинформатических методов позволило выделить вклад как отдельных мутаций, так и их комбинаций на исследуемые нами параметры», — сообщает Андрей Винокуров.

Исследование цитоплазматических гибридов было проведено при помощи широкого скрининга параметров, характеризующих состояние энергетического метаболизма клеток. По словам авторов, выбор такой стратегии не случаен, поскольку нарушения митохондриального генома сказываются на процессах, связанных с образованием АТФ, и обеспечением энергетических потребностей клеток.

Методологической основой проведенных на данный момент исследований стали флуоресцентная и конфокальная микроскопии, а также полярографические исследования с применением электрода Кларка.

«Проведенный скрининг позволил нам на первом этапе выявить общие особенности развития культур цитоплазматических гибридов и существующие между ними различия, которые обусловлены особенностями нарушения митохондриального генома. Однако это не дает нам ответы на главные вопросы: функционирование каких конкретно структурных элементов и развитие каких процессов оказывается затронуто в случае тех или иных комбинаций мутаций митохондриальной ДНК? Именно поиск в данном направлении и является задачей следующих этапов исследования», — заключает Андрей Винокуров.

Как сообщают ученые, это одно из первых исследований в области поиска связи нарушений митохондриального генома и изменений фенотипа клеток, которые содержат от 5 до 10 содержащихся в клетках мутаций.

Исследование проводится в рамках реализации проекта «Исследование клеточных механизмов развития патологий человека, ассоциированных с мутациями митохондриальной ДНК» при поддержке Российского научного фонда, его результаты опубликованы в одном из международных научных изданий.