VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016
МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Митохондриальные болезни – клинически гетерогенная группа заболеваний, развивающихся при нарушении работы комплексов дыхательной цепи митохондрий – главного конечного пути аэробного метаболизма. Неотъемлемым свойством биологического окисления является сопряжение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Некоторые звенья дыхательной цепи (коэнзим Q ,цитохромоксидаза) наряду с транспортом электронов осуществляют перенос протонов, полученных от метаболитов цикла трикарбоновых кислот, окислительного декарбоксилирования пирувата, β-окисления жирных кислот, из матрикса в межмембранное пространство. В процессе обратного тока катионов водорода происходит утилизация освобождаемой в дыхательной цепи энергии путем фосфорилирования АДФ в АТФ, создается запас энергии биологического окисления.
В результате аномалий, возникающих в их комплекса, скорость синтеза АТФ снижается, продукция активных форм кислорода усиливается, активизируются механизмы запрограммированной гибели клеток, включая апоптоз, аутофагию и некрозоподобные изменения. Все это приводит к подавлению энергоемких процессов, повреждениям мембранных структур свободными радикалами с последующим высвобождением цитохрома с из митохондрий в эндоплазматический ретикулум, что усиливает выход Ca2+ , ионы которого стимулируют нитросинтазу, повышающую выраженность окислительного стресса.
Важное значение имеют возникающие при этом дефекты в геноме. Самыми распространенными причинами этих дефектов служат эндогенные факторы, такие как ошибки работы ДНК-полимераз и репараз, а также повреждение в гене ДНК-полимеразы. Данный полинуклеотид слабо защищен от влияния мутагенов, что облегчает повреждающее действие свободных радикалов. При этом развивается окислительный стесс, который вызывает патогенные мутации. Это особенно опасно для жизнедеятельности кардиомиоцитов и нейронов.
Подобные повреждения в геноме могут быть вызваны и экзогенными мутагенами: гипоксией, ионизирующим излучением, лекарствами, экопатогенами, неадекватной физической нагрузкой.
Репликация митохондриальной ДНК идет очень быстро, поэтому при действии патогенов происходит быстрое накопление возникших в ней мутаций.
Митохондриальные расстройства могут возникать из-за нарушения либо в ядре, либо в митохондриальном геноме, поэтом могут получится любые варианты наследования. Митохондриальный геном наследуется по материнской линии. В зрелом овоците число копий ДНК достигает 100000, а в сперматозоиде не более 100 молекул. При оплодотворении в яйцеклетку может входить некоторое количество отцовских митохондрий, но они быстро деградируют, поэтому большинство мутаций мтДНК передается по материнской линии.
Структура митохондриального генома
мтДНК человека представляет собой двухцепочечную кольцевую молекулу размером 16568 п.н., в которой расположены 37 генов, участвующих в процессе выработки энергии в дыхательной цепи митохондрий. В их число входят 13 структурных генов, кодирующих субъединицы комплексов ОФ, а также гены 22 тРНК и двух рРНК, принимающих участие в синтезе белка непосредственно в митохондриях. Большинство регуляторных участков находятся в некодирующем, так называемом контрольном, районе (КР) протяженностью 1122 п.н. В процессе репликации мтДНК в КР образуется трехцепочечный фрагмент размером 710 п.н., называемый D-петлей. В КР размещены промоторы тяжелой и легкой цепей, а также точка инициации репликации тяжелой цепи (OH). Точка инициации репликации легкой цепи
(OL) находится за пределами КР. Цепи мтДНК характеризуются асимметричным распределением G/C-пар. Обогащенная остатками гуанина тяжелая цепь содержит оба гена рРНК, 12 структурных генов и 14 генов тРНК. Оставшиеся восемь генов тРНК и один структурный ген (ND6) располагаются в легкой цепи.
В мтДНК человека отсутствуют интроны и перекрывание генов. Установлено, что молекулы мтДНК соматических клеток организованы в нуклеоиды, в состав которых входят гистоноподобные белки и белки, участвующие в регуляции транскрипции и репликации мтДНК, основные из которых – mtSSB, POLG, TFAM и Twinkle. Нуклеоиды объединяют и стабилизируют несколько молекул мтДНК. Предполагается, что нуклеоид имеет многослойную организацию: в его центральной части происходят процессы репликации и транскрипции, а на периферии – процессинг РНК и ее трансляция.
Установлено, что отдельные нуклеоиды крайне редко обмениваются мтДНК. Это косвенным образом подтверждает гипотезу “стойкого нуклеоида”. Согласно альтернативной модели “динамичного нуклеоида”, мтДНК свободно перемещается между нуклеоидами с последующей рекомбинацией.
Митохондриальные нарушения
Митохондрии можно найти во всех клетках организма человека, они генерируют большую часть клеточной энергии в виде АТФ через комплексы дыхательной цепи. Митохондрии содержат экстрахромосомные ДНК. Однако большинство митохондриальных белков кодируются яДНК. Мутации в мтДНК и яДНК могут привести к митохондриальным заболеваниям, которые возникают в результате недостаточной выработки энергии, необходимой для удовлетворения энергетических потребностей различных органов. При этом страдают в первую очередь наиболее энергозависимые ткани и органы, т.е. нервная и мышечная ткани, что и отражено в термине «энцефаломиопатия» (от лат. enhephalos —головной мозг, а myos — мышцы), а также любые органы и ткани. Например, при болезни Лебера потеря зрения в некоторых случаях сочетается с нарушением проводимости сердца. Термин «нейродегенеративные заболевания» также подчеркивает тот факт, что в основе патогенеза лежит дегенерация нервной ткани. Нервные клетки погибают «изнутри», в результате апоптоза (программируемой клеточной смерти).
К основным митохондриальным заболеваниям можно отнести 15 нозологических форм, диагностические критерии которых сегодня четко сформулированы. Выявлены также гены, чаще всего подверженные патогенным мутациям (табл.1).
Таблица 1 Формы митохондриальных заболеваний
|
Митохондриальное заболевание |
Мутантные гены |
|
|
мтДНК |
яДНК |
|
|
Митохондриальная кардиомиопатия |
tRNAs |
SCO2, COX-10, COX-15, Tafazzin |
|
Митохондриальная миопатия |
tRNAs, MTCYB, MTND4, MTCO1-3, делеции мтДНК |
PUS1 |
|
Наследственная нейропатия зрительного нерва Лебера |
MTND1-6, MTCO3, MTCYB |
|
|
Нейросенсорная глухота |
tRNAs, 12S rRNA, MTCO1, MTCO2, MTND5, MTND6, делеции мтДНК |
MTO1, TFB1M OPA1, DDP1, |
|
Хроническая прогрессирующая внешняя офтальмоплегия |
tRNAs,делеции мтДНК |
POLG, POLG2, ANT1, PEO1, OPA1 |
|
Миокланальная эпилепсия с рваными красными мышечными волокнами |
tRNAs |
|
|
Митохондриальная энцефалопатия, лактат-ацидоз, инсультоподобные эпизоды |
tRNAs, MTND1, 4-6, MTCYB |
|
|
Нейропатия, атаксия, пигментный ретинит |
MTATP6 |
|
|
Наследуемый по материнской линии синдром Лея |
MTATP6 |
|
|
Митохондриальная нейро-желудочно-кишечная энцефалопатия |
POLG, ECGF1, RRM2B |
|
|
Синдром митохондриальной недостаточности |
TK2, RRM2B; DGOUK,POLG1, MPV17; SUCLA2, SUCLG1 |
|
|
Синдром Кернса—Сейра |
Делеции мтДНК |
POLG, PEO1, TYMP |
|
Синдром Лея |
MTND1-6, MTCOX3, MTATP6, tRNAs |
NDUFS1-4,7,8; NDUFV1, SDH, SURF1, CoQ, PDSS2, PDHc, PDHX1, EFG1, EFTu, LRP130, SUCLA2, BDT |
|
Синдром Пирсона |
Делеции мтДНК |
POLG, PEO1, TYMP |
|
Синдром Альперса |
POLG |
|
Проявления
Митохондриальные заболевания могут встречаться в любом возрасте, однако у одной трети пациентов с недостаточностью ферментов дыхательной цепи начальные симптомы проявляются в первый месяц жизни. Двумя основными клиническими признаками митохондриальных расстройств являются увеличение с течением времени числа вовлеченных в патологический процесс органов и тканей, а также практически неизбежное поражение центральной нервной системы.
Имеется значительная вариабельность симптомов, наличие стертых и скрытых форм.
Поражение ЦНС и мышечной ткани доминирует в клинике. Миопатический синдром включает в себя слабость и атрофию проксимальной мускулатуры, мышечные боли, непереносимость физической нагрузки, прогрессирующую наружную офтальмоплегию, птоз, отсутствие рефлексов. Основными неврологическими проявлениями являются судороги, инсульты, нейросенсорная тугоухость, атрофия зрительного нерва, атаксия, миоклонусы, крампи, полинейропатия, олигофрения, деменция, нарушение психомоторного развития, мигрень. Митохондриальные изменения являются клинико-патогенетической основой для развития кардиомиопатий, нарушения проводимости (сердечные блокады), феномен "рваных" красных волокон в сердечной мышце.
Среди эндокринопатий, выявленных при митохондриалыюй патологии, первое место занимает сахарный диабет. Также описаны гипопаратиреоз, изолированный дефицит гормона роста, гипогонадизм, экзокринная недостаточность поджелудочной железы при синдроме Пирсона.
Патология желудочно-кишечного тракта проявляется в виде появления повторной рвоты, диареи или псевдонепроходимости кишечника. В условиях первичного биллиарного цирроза печени выявляется деструкция желчных протоков с наличием гетерогенных клонов Т-лимфоцитов в инфильтратах портальных трактов. Поражение печени характеризуется прогрессирующим увеличением печени с нарушением функций и развитием признаков печеночной недостаточности.
Описано поражение костного мозга с развитием панцитопении у новорожденных, трансфузиозависимой макроцитарной анемии, тромбоцитопении, нейтропении в старшем возрасте при синдроме Пирсона.
Диагностика
Для диагностики митохондриальных заболеваний используют метод клонирования, дающий достоверные количественные результаты, считается наиболее трудоемким и продолжительным. Более точные результаты при меньшей трудоемкости можно получить с помощью флуоресцентной ПЦР, однако, метод не позволяет выявлять мелкие делеции и вставки. Денатурирующая высокоразрешающая жидкостная хроматография дает воспроизводимые результаты при любых видах мутаций (делеции, вставки, точковые мутации), находящихся в состоянии гетероплазмии. Оценка уровня гетероплазмии с помощью этого метода более точна по сравнению с клонированием и флуоресцентной ПЦР. Для обнаружения и количественной оценки мутаций мтДНК использовали также метод ПЦР в реальном времени: превосходные результаты получены как при использовании гидролизуемых зондов (TaqMan), так и интеркалирующего красителя SYBR. В другой работе для детекции мутаций мтДНК и количественной оценки уровня гетероплазмии предложено использовать “молекулярные маячки” (Molecular beacon). Модификация системы TaqМan, заключающаяся в применении специфических праймеров, использована для оценки уровня гетероплазмии мутации A3243G. Также применяют метод оценки ферментативной активности, биохимический, гистологический, молекулярное тестирование и скрининг новорожденных, который дает возможность обнаружить врожденные нарушения метаболизма в бессимптомную фазу и выполнить медицинское вмешательство.
Лечение
К настоящему времени врачи перепробовали множество лекарственных средств, но лишь в редких случаях удавалось добиться положительного результата. Исследования в области терапии митохондриальных заболеваний складываются из нескольких направлений: во-первых, медикаментозное лечение, т.е. использование лекарственных препаратов; во-вторых, применение диет и физических упражнений; в-третьих, экспериментальные стратегии, направленные на исправление дефектов митохондрий на молекулярном уровне. В некоторых случаях также применяется хирургическое вмешательство.
Поскольку терапия митохондриальных заболеваний в настоящее время находится в зачаточном состоянии, единственный путь борьбы с ними — это предупреждать наследование дефектных митохондрий. Для этого существует несколько способов. Один из них — использование донорской яйцеклетки: поскольку митохондрии у человека наследуются строго по материнской линии, ребенок, рожденный в результате искусственного оплодотворения такой яйцеклетки, не получит дефектных митохондрий матери. Для выявления патогенных мутаций в мтДНК проводят пренатальную и преимплантационную генетическую диагностику. При пренатальной диагностике (ПНД) на определенной стадии беременности анализируют ДНК ребенка, и при наличии патогенной мутации женщина решает вопрос о прерывании беременности. Преимплантационная генетическая диагностика (ПГД) заключается в следующем: после искусственного оплодотворения
у раннего эмбриона отбирают одну или две клетки для проверки ДНК на мутации; затем, если мутаций не обнаружено, эмбрион имплантируют матери. Несомненное преимущество данной процедуры — отсутствие необходимости в прерывании беременности
Следующий путь предотвращения наследования митохондриальной патологии — пересадка цитоплазмы с нормально работающими митохондриями в яйцеклетку с дефектными митохондриями. Такой способ применялся неоднократно, но его запретили из-за увеличения хромосомных аномалий у новорожденных. Последний способ избавить ребенка от наследования митохондриального заболевания — пересадка ядра. Эта стратегия заключается в переносе ядра яйцеклетки с дефектными митохондриями в яйцеклетку с нормальными митохондриями, но без ядра, с последующим искусственным оплодотворением и имплантацией в организм будущей матери. Хотя испытания этого наиболее перспективного способа на приматах уже прошли и дали превосходные результаты, сейчас такие процедуры запрещены. Препятствием здесь служит следующее умозаключение: рожденный таким способом ребенок будет иметь, по сути, две генетических матери и одного генетического отца. В норме ребенок получает от матери всю мтДНК и половину ядерной ДНК, вторую же ее половину - от отца. При пересадке ядра ребенок получает мтДНК от другой женщины, и пока неясно, как это в будущем может повлиять на его здоровье на молекулярном уровне и как оформлять при рождении такого ребенка на правовом уровне.
Заключение
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый с момента установления причинно-следственной связи между мутацией мтДНК и заболеванием человека, вылечиться от митохондриальных болезней в настоящее время практически невозможно. В первую очередь, это связано с пробелами в понимании биогенеза митохондрий. Однако по мере развития физико-химических, молекулярно-генетических и биоинформатических методов данные о структуре и функциях митохондрий постоянно корректируются и дополняются. Кроме того, человек остается практически единственным объектом исследований, что, естественно, вносит массу ограничений в связи с возможностью опасных для здоровья/жизни последствий. Тем не менее, существуют возможности избежать наследования патогенной митохондриальной мутации, либо отсрочить развитие заболевания, вызванного нарушением функции митохондрий.
Выражаю благодарность за помощь в написании статьи
доценту кафедры биохимии, к.м.н. Афониной С. Н.