Митохондриальные заболевания как окно к древним органеллам
Автор: old.medach.pro
Публикация: 18.02.2018


Происхождение и эволюция митохондрий
Митохондрии имеют эндосимбиотическое происхождение и хранят в себе множество следов бактериальных предков, включая двойную мембрану и кольцевидную хромосому (мтДНК). Они сходны с микроорганизмами в том, что они, как правило, имеют масштаб около одного микрона и постоянно делятся, двигаются и сливаются, формируя динамичную сеть. Хотя митохондрии называют полуавтономными органеллами, миллиарды лет экспансивной и редуктивной эволюции (Рисунок 2а), сопровождаемой переносом большинства их генов в ядерный геном, эффективно и плотно встроили их внутрь эукариотических клеток.
Человеческая мтДНК наследуется по материнской линии и кодирует только 13 белков, а также 22 гена тРНК и 2 гена рибосомальной РНК, которые необходимы для их трансляции. Все остальные белки, необходимые для сохранения целостности и экспрессии мтДНК, кодируются ядерным геномом. Большой прогресс был достигнут в изучении митохондриального протеома млекопитающих, где было определено более 1100 относящихся к этому компартменту белков . Интересно отметить, что мтДНК имеет монофилетическое происхождение , в то время как история митохондриального протеома гораздо более сложна . Из 1100 известных митохондриальных белков примерно две трети имеют бактериальное происхождение (вероятно, из нескольких фил), а остальная часть представлена эукариотическими новшествами. Мозаичная структура митохондрий проявляется в механизмах репликации и трансляции в органелле: рибосомы, очень похожи на их бактериальный аналог , а ДНК-полимераза, напоминает аналогичный фермент вирусного (бактериофагального) предка . Как будет показано ниже, молекулярные основы некоторых патологий митохондрий становятся ясны, когда учитывается происхождение органеллы.
В ходе эволюции, органеллы уступали право собственности на одни сигнальные пути остальной части клетки, но в это же время, приобретали другие. Например, рибонуклеотидредуктаза, которая используется для синтеза дезоксирибонуклеотидов de novo, обнаруживается только в цитозоле, а дефицит этого фермента приводит к развитию синдрома истощения мтДНК . В других случаях, митохондрии сохранили копию цитозольного пути, например - тетрагидрофолат-зависимый одноуглеродный метаболизм . Эти паралогичные одноуглеродные пути, по всей видимости, имеют разное функциональное значение и могут быть особенно актуальны в течении таких заболеваний, как, например, рак . В настоящее время перед нами стоит проблема понимания логики компартментализации и паралогичных путей.
Дыхательная цепь и её взаимодействия
Сердцем митохондрии является дыхательная цепь - ключевой механизм окислительного фосфорилирования (Рисунок 2b). Обычно, дыхательная цепь включает в себя четыре макромолекулярных комплекса, которые катализируют перенос электронов от восстановленных в процессе промежуточного метаболизма соединений к кислороду. Благодаря транспорту электронов, комлексами I, III и IV формируется протонный градиент или протон-движущая сила (ПДС), которая используется для синтеза АТФ комплексом V - F1F0-АТФазой. Эти комплексы ассоциированы с внутренней мембраной и образованы примерно 90 белковыми компонентами, только 13 из которых кодируются мтДНК.Как правило, дыхательную цепь изображают изолированным механизмом в виде линейной цепи, на самом деле, дыхательная цепь - настоящий центр деятельности клеточного метаболизма, который характеризуется конвергенцией и дивергенцией путей, формированием суперкомплексов и обратимостью процессов.
Почти все окислительно-восстановительные реакции в клетке в конечном счете связаны с дыхательной цепью (Рисунок 2b). Комплексы I и II опосредуют перенос двух электронов от, соответственно, НАДН и ФАДН2 к мобильному переносчику электронов — коэнзиму Q, обеспечивая связи с циклом трикарбоновых кислот (ЦТК). Коэнзим Q может также получать электроны из процессов биосинтеза пиримидина de novo, окисления жирных кислот и аминокислот, окисления холина (в конечном счете затрагивающего одноуглеродный метаболизм) и гликолиза. Комплекс III за счет Q-цикла представляет собой адаптор, который принимает два электрона от восстановленного коэнзима Q и переносит отдельные электроны к цитохрому С. Комплекс IV завершает дыхательную цепь, принимая электроны от цитохрома С и используя их для того, чтобы восстановить кислород до воды. Активные формы кислорода (АФК) - потенциально токсичные побочные продукты этих реакций (особенно в комплексах I и III), нейтрализуются благодаря выделению супероксиддисмутазы и каталазы, а также глутатиона, тиоредоксина и систем тиоловых белков. Нарушения в работе дыхательной цепи могут повлиять на нуклеотидные пулы, ЦТК , одноуглеродный метаболизм и сигналинг АФК, что определяет многочисленность сбоев в работе.
ПДС больше всего известна благодаря синтезу АТФ, осуществляемому путем окислительного фосфорилирования, но она также связана с множеством других процессов (Рисунок 2b). Никотинамиднуклеотидтрансгидрогеназа регенерирует митхондриальный НАДФН, который необходим для гомеостаза АФК, причем активность этого фермента связана с ПДС. Кроме того, ПДС связана с транспортом ионов и растворенных веществ через внутреннюю мембрану, а нарушение ПДС может остановить существующие биосинтетические реакции, такие как биогенез железосерных кластеров (Fe-S кластеры) и импорт белка. Важность ПДС обусловлена еще и тем фактом, что АТФ, полученная в результате гликолиза, может потребляться комплексом V, который работает в обратном направлении, защищая ПДС при ингибировании дыхательной цепи.
Несмотря на то, что комплексы дыхательной цепи обычно изображаются, как свободно движущиеся в модели случайных столкновений , появляется всё больше доказательств в пользу модели состояния покоя , в которой отдельные комплексы физически сгруппированы в суперкомплексы (Прим. ред.: в русском языке эти модели называются "жидкая модель" и "цельная модель"). При разделении нативных белков в геле были продемонстрирована взаимодействия между комплексами I, III и IV . В принципе, такие ассоциации могут способствовать стабильности и прохождению субстрата с минимальным образованием АФК. Недавнее открытие генетических факторов, необходимых для сборки суперкомплексов , позволило тщательно оценить их роль в заболеваниях.
Сравнительный анализ разных видов показывает, что большинство связанных с дыхательной цепью путей до сих пор не известны. Например, у человека комплекс I состоит из 45 субъединиц, включая 14 основных каталитических субъединиц, найденных и в бактериальном комплексе I. Недавно были выявлены кристаллические структуры комплекса I у Escherichia coli и Yarrowia lipolytica . Предполагаемый механизм возбуждения обеих структур показывает, что такие функции, как перенос электронов и перекачка протонов совершаются 14 древними субъединицами. Для служат остальные субъединицы? Основная гипотеза заключается в том, что они необходимы для сборки, стабилизации или регуляции, но хочется предположить, что комплекс I может служить базой для дополнительной ферментативной активности. Например, NDUFAB1 - одна из субъединиц, ассоциированных с комплексом I, имеет домен ацилпереносящего белка, участвующего во II типе синтеза жирных кислот . А последовательность аминокислот фактора сборки ACAD9 гомологична последовательностям дегидрогеназ очень длинноцепочечных жирных кислот . Кроме того, одна из субъединиц комплекса I обладает характерными филогенетическими особенностями ферментов, относящихся к окислению аминокислот с разветвленными боковыми цепями . Другие потенциальные побочные функции, которыми обладает комплекс I, требуют изучения и могут помочь нам понять плейотропные особенности, которые наблюдаются у пациентов.

Митохондриальная гетерогенность
Степень специализации митохондрии в контексте каждой клетки остается недооцененной. В разных органах митохондрии демонстрируют разные паттерны выработки энергии и способности к биосинтезу. Например, митохондрии скелетных мышц способны окислять жирные кислоты, а митохондрии мозга могут окислять кетоны, в то время как митохондрии надпочечников высокоэффективны в отношении биосинтеза стероидных гормонов. Электронно-микроскопические исследования показали, что количество и морфология митохондрий может сильно отличаться в разных тканях (Рисунок 3а), за счет изменений, которые происходят в процессе развития и в ответ на воздействие окружающей среды. Даже в отдельных клетках митохондрии могут проявлять гетерогенность: интермиофибриллярные и субсарколеммальные митохондрии скелетных мышц имеют различные энергетические предпочтения и избирательно реагируют на физиологические и патологические воздействия . Что интересно, одна гипотеза предполагает, что сформировавшаяся в процессе эволюции мтДНК наделяет отдельные митохондрии способностью регулировать их локальный энергетический и окислительно-восстановительный статус, посредством локального контроля экспрессии генов - это так называемая гипотеза колокализации окислительно-восстановительной регуляции (Co-RR hypothesis) .
В недавных протеомных исследованиях митохондрий различных органов была подсчитана степень молекулярной гетерогенности: обнаружено, что 75% компонентов у митохондрий из двух разных органов схожи . Подобная тканевая гетерогенность ведет ко множеству функциональных последствий . Например, в то время как большинство комплексов дыхательной цепи неизменно в различных органах, комплекс IV имеет тканеспецифичные изоформы , которые ранее позиционировались как решающие для ответа на локальное напряжение кислорода . Митохондриальные рибосомы служат для трансляции 13 субъединиц дыхательной цепи, кодируемых мтДНК . Все они важны и были обнаружены во всех тканях. В то же время, белковый состав митохондриальных рибосом отличается поразительным тканевым разнообразием , значение которого в настоящее время неизвестно. Заманчиво предположить, что подобное непостоянство способствует тканеспецифичному эффекту мутаций мтДНК.
Наиболее любопытной областью изучения биологии митохондрий является понимание регуляторных механизмов, дающих начало тканевой и клеточной гетерогенности (Рисунок 3b). Эти механизмы можно сгруппировать в четыре обширные категории, каждая из которых будет рассмотрена отдельно: биогенез органеллы , передвижение , слияние и деление , митофагия . Колокализация окислительно-восстановительной регуляции, в принципе, может способствовать внутриклеточной гетерогенности, но до сих пор понятны далеко не все молекулярные механизмы и эта гипотеза нуждается в тщательной проверке. Мутации, влияющие на эти регуляторные механизмы, уже обнаружены, также они могут быть причинами некоторых болезней. Например, мутации в необходимых для слияния митохондрий MFN2 и ОРА1, приводят к развитию 2А типа болезни Шарко-Мари-Тута и аутосомно-доминантной атрофии зрительного нерва, соответственно. PINK1 и parkin необходимы для митофагии, а их мутации вызывают менделевскую форму болезни Паркинсона.
Устойчивость

Генетика митохондриальных расстройств
За последние 25 лет исследования отдельных пациентов и семей, которые страдали митохондриальными заболеваниями, позволили в достаточной мере понять их генетическую основу. Данные генетически повреждения могут находиться в мтДНК и ядерной ДНК и проявляться в путях, которые поддерживают сборку и активность дыхательной цепи (Рисунок 4 и Таблица 1). Также, эти генетические исследования помогли расширить фенотипический спектр митохондриальных расстройств.


Митохондриальные колебания и ответы
Несмотря на значительный прогресс в определении генов и триггерных факторов окружающей среды, которые лежат в основе митохондриальных заболеваний, их патогенез остается загадкой. Многие медицинские учебники предлагают слишком упрощенные объяснения: болезнь поражает ткани с наибольшей потребностью в АТФ, или развивается вследствие окислительного повреждения. Вероятно, эти факторы способствуют заболеванию, но общая картина гораздо более сложная. Клеточные модели заболевания указывают, что имеется заметный потенциал для сохранения продукции АТФ путем увеличения темпов гликолиза , и, на моделях животных с дисфункцией дыхательной цепи, патология может развиваться без значительного увеличения оксидативного повреждения . Кроме того, тот факт, что ингибирование дыхания может быть допустимо, а в некоторых условиях даже полезно (Вкладка 1), указывает, что последствия поражений дыхательной цепи не одинаково плохи, и предполагает вовлечение нелинейных моделей патогенеза и пороговых эффектов.
Для последовательного понимания патогенеза, стоит рассмотреть последствия поражений проксимальных участков дыхательной цепи — или митохондриальные колебания — и вторичные клеточные реакции, которые они вызывают. Исследования на модельных организмах обеспечивают несколько примеров таких каскадов типа “колебания-ответ”. Ретроградный ответ у S. cerevisiae представляет собой определенный транскрипционный ответ, который позволяет этому организму выжить в условиях замедления работы дыхательной цепи, в основном путем компенсации неполных функций ЦТК, поддерживая продукцию таких метаболитов, как глутамат . Точные колебания, которые вызывают ретроградный ответ у дрожжей остаются неизвестными, хотя утрата ПДС, как полагают, играет ключевую роль . У плодовой мушки, Drosophila melanogaster, нарушения в дыхательной цепи могут вызвать блокаду перехода клеточного цикла от G1 к S, посредством двух возможных путей типа “волнение-ответ”: мутация субъединицы комплекса I приводит к АФК-опосредованной активации сигналинга JNK , в то время, как уменьшение продукции АТФ в результате мутации комплекса IV вызывает активацию AMПК (АМФ-активируемая протеинкиназа) . Исследования круглого червя Caenorhabditis elegans обнаружили в митохондриях ответ на несложенные белки (мхОНБ), который активируется при нарушении белкового гомеостаза, в результате нанося ущерб дыхательной цепи . МхОНБ включает повышение экспрессии митохондриальных шаперонов и, в частности, мутации, затрагивающие компонеты этого пути, могут привести к развитию некоторых нейродегенеративных нарушений . Разработкина основе данных о модельных организмах, привели к выводу о том, что в результате поражений дыхательной цепи может возникнуть широкий спектр пар “волнение-ответ”, и эти пары придают удивительную устойчивость к подобным нежелательным воздействиям. Однако, некоторые из них могут быть адаптивными на короткий срок, а с течением времени индуцировать разные патологии.
Метаболомные исследования были попыткой систематизации разных биохимических волнений, которые происходят из-за ингибирования дыхательной цепи. Одно исследование характеризует эффект небольших молекул-ингибиторов дыхательной цепи на поток метаболитов в культуре клеток и соотносит эти изменения с измерениями параметров плазмы пациента. Специфическая блокада комплекса III привела к снижению синтеза уридина, что согласуется с давним наблюдением о том, что клетки с дефектной дыхательной цепью — уридиновые ауксотрофы . Секреция лактата подчеркивает, что индукция реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой является средством поддержки продукции АТФ в процессе гликолиза и потребления НАДН, поддерживая баланс окислительно-восстановительных кофакторов. В другом исследовании отмечено, что обратный поток через ЦТК, а именно снижение карбоксилирования α-кетоглутарата в изоцитрат является ответом на ингибирование дыхательной цепи .
В идеале, исследование каскадов “волнение-ответ” может объяснить причину патологий. В один из перспективных каскадов вовлечен кальций. Митохондрии играют важную роль в формировании концентрации кальция в цитозоле, посредством поглощения через унипорт , этот процесс зависит от интактной ПДС. Различные исследования сошлись на механизме, который, снижая митохондриальную ПДС, вторично повышает концентрации цитозольного кальция — это ключевой промежуточный сигнал в ответ на повреждение дыхательной цепи посредством активации кальций-чувствительных сигнальных факторов (таких как кальцинейрин и кальций/кальмодулин-зависимая протеинкиназа IV (СаМКIV) ). Мы предположили, что активация кальций-зависимого сигналинга поможет объяснить некоторые ключевые признаки патологии (Рисунок 1). Например, активация СаМКIV может индуцировать митохондриальный биогенез , потенциально способствуя обнаружению “неровных красных волокон”, которые также часто наблюдаются при биопсии скелетных мышц. Активация кальцинейрина также участвует в индукции гипертрофической кардиомиопатии . Изменение динамики кальция в интерстициальных клетках Кахаля, полученных из желудочно-кишечного тракта, ставило под угрозу их пейсмейкерную активность и это могло способствовать кишечной псевдонепроходимости (Рисунок 1b). Однако, не все мутации дыхательной цепи нарушают кальциевый гомеостаз . Более того, кальциевые потоки в митохондриях могут варьировать в зависимости от ткани и это может формировать паттерн тканевой экспрессии.
Каскады “волнение-ответ” могут протекать вне клеток, что приводит к неклеточным автономным эффектам. Лактацидоз — это лучший из известных примеров, который может привести к нарушению работы многих органов путем снижения рН сыворотки крови. Фактор роста фибробластов 21 — гормон, который опосредует реакции на голод, высвобождается из скелетных мышц пациентов с митохондриальной миопатией . Это привело к интригующей гипотезе о том, что этот процесс может быть двигателем системной метаболической патологии. Свежие данные указывают на решающую роль митохондрий в регуляции врожденного иммунитета . Однако, роль самих органелл в митохондриальных расстройствах изучена не до конца.
Хотя ингибирование дыхательной цепи часто рассматривается как нежелательное, несколько наблюдений позволили предположить, что в определенных случаях последствия могут быть полезны. Метформин - наиболее часто назначаемый для лечения сахарного диабета 2 типа препарат - ингибирует комплекс I. Этот биоэнергетический эффект, как полагают, способствует торможению в печени глюконеогенеза . Лактатацидоз является известным, хоть и редким, побочным эффектом метформина, подчеркивая тонкий баланс между терапевтическим и токсическим эффектами ингибирования дыхательной цепи. Предварительное лечение низкомолекулярными ингибиторами дыхательной цепи может защитить такие органы, как мозг и сердце от повреждений, вызванных реперфузией и ишемией . И наконец, данные исследований как на круглом черве Caenorhabditis elegans , так и на плодовой мушке Drosophila melanogaster показывают, что опосредованный РНК-интерференцией нокдаун различных компонентов дыхательной цепи продлевает жизнь. Общим для всех этих наблюдений является то, что последствия умеренного торможения дыхательной цепи для клеток и организма могут быть использованы в терапевтических целях - концепция митохондриального гормезиса. Мы подозреваем, что терапевтические эффекты возникают, когда при поражении дыхательной цепи перевешивает гомеостаз, а не патогенез.
Перспективы и проблемы последующих исследований
Понимание патогенеза митохондриальных расстройств — это новая область исследований с огромным количеством возможностей. Во-первых, эти расстройства возникают, как минимум, в 1 случае на 5000 здоровых индивидов и не имеют доказанных средств лечения . Следовательно, существует уникальная возможность развития терапевтических методик для пациентов, которые, в противном случае, имеют удручающие прогнозы. Во-вторых, эти расстройства позволяют погружаться в основы клеточной биологии, и многое из того, что мы знаем о сборке дыхательной цепи и компартментализации метаболизма было обнаружено именно в таких ситуациях. И, наконец, имеется большой интерес к роли митохондрий во многих распространенных заболеваниях человека, этот интерес подпитывается наблюдением, что множество распространенных дегенеративных расстройств ассоциированы с количественным упадком митохондриальной активности. Однако, отличительная причина из корреляции — это сложная задача, а митохондриальные расстройства могут быть ценным инструментом для выяснения роли органеллы в общей патологии. Опираясь на эти возможности, мы рассмотрим необходимость расшифровки патогенеза этих орфанных заболеваний.
Мы ожидаем, что для решения этой задачи потребуются две взаимодополняющих линии исследований — изучение клетки и пациента. Во-первых, это будет иметь важное значение для характеристики свойств сетевого уровня митохондрии в клеточных исследованиях. В результате классических биохимических исследований и (более поздних) протеомных исследований митохондриальных изолятов мы приобрели достаточно знаний о белковых компонентах органеллы и разнообразии реакций, а также теоретическую основу для понимания регуляторного контроля.Развиваясь, это будет иметь решающее значение для создания карты взаимодействий всех этих компонентов, как на физиологическом, так и на генетическом уровнях среди клеток различных типов. В этой области уже достигнут первоначальный прогресс, недавно была создана генетическая карта взаимодействий, основанная на исследованиях митохондрий S. cerevisiae . Богатая эволюционная история митохондрий и интересные особенности регуляции транскрипции мтДНК будут способствовать вычислительной идентификации модулей функциональных взаимодействий генов . Такие сетевые карты позволят выявить механизмы гомеостаза, которые создают защитную зону от экологических или генетических повреждений. Во-вторых, параллельно, это будет иметь решающее значение для каталогизации генотипов и фенотипов отдельных пациентов по всему миру. Технологии секвенирования нового поколения уже облегчили секвенирование геномов пациентов, в то время как интернет и поддержка беспроводных технологий подарят нам расширенную информацию о фенотипах с беспрецедентным временным разрешением. Поскольку индивидуальные митохондриальные расстройства редки и разнообразны, мы ожидаем, что общедоступные, объединенные модели, в которых пациенты и доктора являются партнерами в биомедицинском исследовании, сделают так, что данные будут объединены и использованы для обнаружения необходимый информации. Метаболические профили, культур клеток, несущих патологию, а также плазмы крови человека, могут быть ключевым компонентом для связи данных на уровне клетки и на уровне пациента в моделях прогнозирования патогенеза.
Идентификация связи между генотипом и фенотипом — сложная задача в исследовании всех болезней. Но уникальные особенности митохондрий — их относительно хорошо изученная биохимия, практически полный каталог их белков, возможность изучать митохондрии в изолятах или in situ, огромное число моногенных нарушений, а также активное и заинтересованное сообщество пациентов — предоставляют ключевые преимущества, которые помещают эти органеллы на передовую линию развивающейся области медицинской системной биологии.
Исследования орфанных митохондриальных нарушенией будут ключевым звеном в решении одной из множества важных проблем фундаментального метаболизма - логики компартментализации. Почему некоторые пути продолжают существовать в митохондриях, в то время, как другие продублированы или переместились в цитозоль? Митохондрии сохранили характерный для бактерий II тип пути синтеза жирных кислот, а также запасную версию тетрагидрофолат-зависимого одноуглеродного метаболизма и фермент глюконеогенеза — фосфоэнолпируват карбоксикиназу. Какие преимущества предоставляют приобретение или утрата подобных путей? Мы полагаем, что исследования редких митохондриальных нарушений прольют свет на значение этих путей in vivo, а также на обстоятельства, в которых эти пути действуют. Новые пути измерения компартмент-специфического метаболизма как в культуре клеток, так и in vivo, обязательно поспособствуют развитию этой области.
Мы можем оптимистично верить, что понимание митохондриального патогенеза будет способствовать развитию новых терапевтических методик для этих разрушительных расстройств, среди которых некоторые разновидности могут использоваться и для терапии распространенных заболеваний. Примером такого перепрофилирования служит история дихлорацетата, небольшой молекулы, которая снижает продукцию молочной кислоты, стимулируя пируватдегидрогеназу. Дихлорацетат был протестирован как средство для лечения лактатацидоза, вызванного митохондриальными заболеваниями, но имел недостаточную клиническую эффективность и вызывал нежелательные токсические эффекты . Несмотря на то, что препарат потерпел значительную неудачу как средство для терапии митохондриальных расстройств, он сейчас тестируется в клинических испытаниях терапии некоторых видов злокачественных опухолей. Многие из них имеют повышенную зависимость от аэробного гликолиза с сопутствующей продукцией лактата — так называемый эффект Варбурга. Дихлорацетат используется для того, чтобы обратить этот ключевой признак метаболизма, а первые результаты клинических испытаний на людях были многообещающими . Мы ожидаем, что эта тенденция продолжится и развитие препаратов для лечения митохондриальных заболеваний, в конечном счете, окажется полезным для пациентов с этими редкими заболеваниями, а также для других пациентов, с более распространенной патологией.
Оригинал
Перевод: Елена Лисицына
Изображения: Антон Осипенко
Редакция: Николай Лисицкий, Полина Тиканова