Логотип журнала "Провизор"








Материнское наследие

… и порой это наследие ложится тяжелым грузом. Пример тому — митохондриальные болезни, ассоциированные с мутациями в митохондриальном геноме.

Л. В. Львова, канд. биол. Наук

О митохондриях

Это не бактерии и не вирусы, не одноклеточные, это просто тельца, плавающие в цитоплазме клеток эукариот.

М. Франк-Каменецкий

… и называются эти тельца митохондриями.

Достоверные сведения относительно их происхождения отсутствуют. Правда, из-за наличия в каждой митохондрии от двух до десяти молекул ДНК их предположительно считают остатками бактерий-симбионтов, когда-то встроившихся в клетку.

Количество митохондрий в клетках исчисляется сотнями, а иногда и тысячами.

Для одного типа клеток их численность относительно постоянна и в то же время зависит от стадии развития клетки и от ее функциональной активности.

Внешне митохондрии чаще всего напоминают короткий изогнутый цилиндр с закругленными краями. Хотя в некоторых тканях — например, в поперечно-полосатых мышцах — они могут принимать самые причудливые формы. Внутреннее пространство митохондрий, заполненное так называемым матриксом, наполовину состоящим из белков и содержащим ферменты цикла лимонной кислоты, заключено в двухслойную оболочку. (Верхний слой образует гладкая наружная мембрана, в которой сконцентрированы ферменты, участвующие в транспорте и активации жирных кислот. Нижний — складчатая внутренняя мембрана, в которой сосредоточены ферментные комплексы, участвующие в переносе электронов и окислительном фосфорилировании.) Основная функция митохондрий — энергообеспечение клетки, из-за чего их часто называют энергетическими станциями.

«Сырьем» для энергетических станций служат продукты клеточного метаболизма.

Продукты гликолиза и метаболизма жирных кислот транспортируются из цитоплазмы в митохондрии, где преобразуются в ацетил-коэнзим А и в цикле лимонной кислоты окисляются до двуокиси углерода. В том же цикле лимонной кислоты в качестве субстратов окисления выступают и трансаминированные аминокислоты: либо через образование ацетил-коэнзима А, либо через образование пирувата из аланина, оксалоацетата из аспартата и α-кетоглутарата из глутамата. Электроны, образующиеся в матриксе при окислении, электронно-транспортная система дыхательной цепи, расположенная на внутренней мембране митохондрий, «доставляет» в межмембранное пространство. Некоторые компоненты дыхательной цепи наряду с электронами транспортируют в межмембранное пространство еще и протоны, из-за чего в митохондриях формируются протонные градиенты и, как следствие, обратный ток протонов через «специализированный» канал внутрь матрикса. Причем «возвращение» протонов сопровождается утилизацией освобождаемой в дыхательной цепи энергией за счет трансформации АДФ в АТФ и прочие макроэргические фосфаты. В дальнейшем запасенная таким образом энергия преобразуется. В мышечных клетках — в механическую энергию. В нервных клетках — в биоэлектрическую. В клетках канальцевого эпителия почек — в энергию активного транспорта. Если же по каким-то причинам «энергетические станции» работают плохо и тот или иной орган постоянно недополучает положенной ему энергии, рано или поздно в нем могут возникнуть патологические изменения.

О геноме митохондрий

Митохондрии располагают всем необходимым для синтеза белков — ДНК, РНК-полимеразой, рибосомами. Но это вовсе не означает, что они автономны от клетки: структурные белки, из которых собираются митохондрии, и многие ферменты (в том числе и дыхательной цепи) кодируются ядерной ДНК, синтезируются в клеточной цитоплазме, на рибосомах и «доставляются к месту назначения» опять-таки клеточной транспортной РНК. По каким-то непонятным причинам митохондрии продуцируют лишь белки, закодированные в их собственном геноме. (Помимо структурных генов белков крохотный митохондриальный геном содержит 24 гена рибосомных и транспортных РНК.) А это, надо заметить, «капля в море» — каких-то 13 из 86 компонентов дыхательной цепи. К тому же качество «продукции» нередко оставляет желать лучшего. Скорее всего, из-за несовершенства механизмов репарации митохондриальной ДНК (мтДНК), обилия продуктов аэробного дыхания — свободных радикалов кислорода и отсутствия гистонов, способных защитить ДНК от повреждения этими самыми свободными радикалами. (Косвенное подтверждение тому — гораздо большая скорость мутирования мтДНК по сравнению с аналогами в ядерном геноме, где, как известно, намного лучше работают репарационные механизмы, есть гистоны, защищающие геном от повреждений, и нет такого количества свободных радикалов.)

Причины мутирования мтДНК довольно разнообразны.

Это и «неправильное» функционирование ферментов синтеза митохондриального генома — ДНК-полимераз и репараз. Это и повреждение продуктами перекисного окисления — перекисью водорода, супероксидными и гидроксильными радикалами. (Самоповреждение митохондриального генома свободными радикалами кислорода сегодня рассматривается как один из основных факторов нейродегенеративных заболеваний и старения центральной нервной системы.)

Это и негативное влияние лекарств и факторов внешней среды — гипоксии, физических нагрузок, ионизирующего излучения.

В частности, после приема некоторых химиотерапевтических препаратов в мтДНК могут возникать делеции*, которые, в свою очередь, способны привести к развитию вторичного синдрома де Тони-Дебре-Фанкони. Вместе с тем негативное влияние лекарств на митохондрии может проявляться и нарушениями иного рода.

* делеция — в данном случае потеря участка митохондриальной ДНК.

Например, прием некоторых цефалоспоринов и карбапенемов чреват угнетением дыхательной функции митохондрий по причине ацетилирования сукцинил-коэнзима А, в который трансформируются свободные жирные кислоты. Ряд цефалоспоринов, обладающих структурным сходством с карнитином, препятствуют транспорту карнитин-коэнзима А из цитоплазмы в митохондрии почек.

В то же время гентамицин известен своей способностью вызывать острую почечную недостаточность: являясь катализатором перекисного окисления липидов, он стимулирует избыточное продуцирование свободно-радикальных ионов, способных оказывать нефротоксическое действие в митохондриях коркового вещества почек.

Прием преднизолона, и в меньшей степени азатиоприна и 225 циклоспорина А, приводит к угнетению окислительного фосфорилирования в митохондриях почек. (Причем наибольшее негативное воздействие оказывает одновременный прием всех трех препаратов.) При более детальном изучении воздействия циклоспорина А на функционирование митохондрий клеток почек выяснилось, что он, во-первых, способен блокировать кальциевые каналы и тем самым предупреждать апоптоз — генетически запрограммированную гибель клетки. Во-вторых, вызывать обратимое снижение активности сукцинатдегидрогеназы в проксимальных и дистальных канальцах субкапсулярных зон, в лучах мозгового вещества и наружном мозговом веществе. И, в-третьих, оказывать негативное влияние еще и на магниевый гомеостаз.

Однако самое любопытное, что характер влияния кортикостероидов на митохондриальные ферменты лимфоцитов периферической крови у больных с нефротическим синдромом зависит от их гормоновосприимчивости. Если у гормонорезистентных больных стероиды вызывают снижение ферментативной активности, то у гормоночувствительных — наоборот, увеличение. Но только в случае приема терапевтических доз препаратов: сверхвысокие дозы гормонов приводят к ингибированию сукцинатдегидрогеназы и α-глицерофосфатдегидрогеназы.

Но вернемся к мутациям митохондриального генома.

Они, как известно, бывают трех видов:

  • смысловые замены в структурных генах белков;
  • мутации в генах рибосомальных и транспортных РНК;
  • структурные перестройки в виде делеций, дупликаций* и их комбинаций, затрагивающие довольно протяженные участки ДНК.

* дупликация — в данном случае удвоение какого-либо участка митохондриальной ДНК.

На сегодняшний день известны более сотни точковых мутаций и несколько сот структурных перестроек, связанных с митохондриальными заболеваниями.

На экспрессию (т. е. проявление) мутаций митохондриального генома довольно часто влияют мутации в ядерных генах. Иногда — как, к примеру, при птозе и офтальмоплегии — они просто дестабилизируют молекулы митохондриальной ДНК. Но мутаций, непосредственно приводящих к развитию митохондриальной патологии, в ядерном геноме на удивление мало. Хотя именно там находится львиная доля генов, кодирующих белки, ответственные за нормальное функционирование системы окислительного фосфорилирования.

Что касается наследования, то мутировавшая мтДНК передается исключительно по материнской линии: отцовская мтДНК хоть и проникает при оплодотворении в яйцеклетку, однако ее воспроизведение, неведомо каким образом, тотчас же блокируется.

Иногда ребенок «получает в наследие» мутировавшую мтДНК в состоянии гомоплазмии. (Проще говоря, мать передает ему исключительно мутантную мтДНК.) Но происходит это крайне редко. Как правило, мутировавшая мтДНК — будь то смысловая замена в структурном гене, структурная перестройка мтДНК, мутация в гене рибосомальной или транспортной РНК — передается ему в состоянии гетероплазмии. (Другими словами, ребенок наследует смесь нормальной и мутантной мтДНК.) В подобных случаях дефектность митохондриального генома поначалу может не иметь внешних проявлений. Но поскольку дефектные митохондрии, испытывая хроническую интоксикацию свободными радикалами кислорода, пролиферируют быстрее нормальных, рано или поздно наступает момент, когда накопленный мутационный груз начинает проявляться в виде биохимических, гистологических и клинических признаков митохондриальных болезней. С учетом этого обстоятельства было выдвинуто предположение о том, что заболевание должно приостановить изменение соотношения мутантных и нормальных мтДНК, естественно, в пользу последних. И, действительно, «антигеномные» средства, способные тормозить репликацию мутантной мтДНК, зарекомендовали себя неплохо. Но сегодня подобная терапия, скорее, экзотика.

На практике стратегия лечения митохондриальных болезней традиционно сводится к повышению эффективности процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования за счет дополнительного введения коферментов и витаминов, участвующих в энергетическом обмене (тиамина, рибофлавина, никотинамида, липоевой кислоты, витамина К3 и карнитина), а также препаратов, способных осуществить функцию переноса электронов в дыхательной цепи (коэнзима Q10, витамина К1, цитохрома С, янтарной кислоты и витамина С). Еще один принцип терапии — повышение антиоксидантной защиты с целью предупреждения повреждения митохондриальных мембран свободными радикалами кислорода с помощью антиоксидантов (к примеру, витамина Е). Кроме того, рекомендуется применять мембранопротекторы, способствующие снижению уровня продуктов перекисного окисления липидов, восстановлению кислотно-щелочного баланса и уменьшению лактат-ацидоза. (Такими свойствами обладает димефосфон.)

О болезнях, ассоциированных с дефектами митохондриального генома

Изначально митохондриальные болезни рассматривались исключительно как нервно-мышечная патология. Со временем стало ясно, что мутации мтДНК могут вызывать самые различные патологии — от кардиомиопатии и эндокринопатии до патологии желудочно-кишечного тракта и поражения костного мозга. Но при этом в клинике митохондриальных болезней доминируют поражения центральной нервной системы и мышечной ткани. (Миопатии в основном проявляются мышечными болями, непереносимостью физических нагрузок, отсутствием рефлексов, прогрессирующей офтальмоплегией, птозом, слабостью и атрофией проксимальной мускулатуры. Неврологические нарушения — судорогами, инсультоподобными эпизодами, нейросенсорной тугоухостью, атрофией зрительного нерва, атаксией, миоклонусами, полинейропатией, изменениями психомоторного развития, мигренью, олигофренией и деменцией.) Более того, исследования последних лет позволили выделить отдельные нозологические формы, ассоциированные с мутациями митохондриальных генов. Среди них:

  • врожденная атрофия зрительных нервов Лебера (LHON); поражает преимущественно мужчин в возрасте от 16–40 лет; проявляется микроангиопатией и атрофией сетчатки, двигательными нарушениями и бульбарными дисфункциями;
  • KSS — синдром Кернса-Сейра; развивается в молодом возрасте; проявляется офтальмоплегией, пигментной дегенерацией сетчатки, гиперпаратиреоидизмом;
  • СРЕО — хроническая прогрессирующая офтальмоплегия; симптоматика сходна с симптоматикой KSS, со значительными дисфункциями центральной нервной системы; иногда проявлениям KSS предшествуют проявления синдрома де Тони-Дебре-Фанкони — глюкозурия, генерализованная гипераминоацидурия, фосфатурия, тубулярная протеинурия, гипокалиемия, гипоуремия;
  • синдром Пирсона; развивается в детстве; проявляется системными нарушениями окислительного фосфорилирования, поражением центральной нервной системы, костного мозга и поджелудочной железы; как и в случае KSS проявлениям синдрома Пирсона могут предшествовать проявления синдрома де Тони-Дебре-Фанкони;
  • болезнь Ли; развивается в молодости; проявляется в виде подострой некротизирующей энцефаломиопатии, нейродегенерации;
  • MERRF — миоклоническая эпилепсия с синдромом «разорванных красных волокон»; характеризуется прогрессирующей атаксией, миастенией, глухотой, деменцией;
  • MELAS — митохондриальная миопатия и энцефалопатия с лактат-ацидозом и инсультоподобными эпизодами; по симптоматике напоминает MERRF; характеризуется генерализованными судорожными припадками, общим истощением и быстрым летальным исходом.

Атрофия зрительных нервов Лебера, пожалуй, наиболее типичное заболевание, ассоциированное со смысловыми мутациями структурных генов митохондриального генома.

Первым причинно-следственную связь между заменой в структурном гене, из-за которой в полипептиде вместо аргинина появляется гистидин, обнаружил в 1988 году Уоллес. Вскоре выяснилось, что «сила» этой связи зависит от этнической принадлежности. (Если у больных азиатского происхождения LHON ассоциировалась в 95% случаев, то у европейцев — в 50–70% случаев.)

За прошедшие годы удалось обнаружить около трех десятков смысловых замен, ассоциированных с атрофией зрительных нервов Лебера. Для простоты их сегодня подразделяют на первичные и вторичные мутации.

Первичные мутации — это независимые мутации высокого риска, которые в состоянии гомоплазмии или гетероплазмии встречаются абсолютно на всех континентах, независимо от этнической принадлежности, но исключительно у больных LHON. Вторичные мутации, если только они не сцеплены с первичной мутацией, далеко не всегда ассоциируются с атрофией зрительных нервов Лебера. Судя по всему, их задача заключается в усилении экспрессивности и пенетрантности основной, первичной мутации.

Среди первичных мутаций самой «жесткой» по своему клиническому проявлению и последствиям для носителей слывет мутация, имеющая пенетрацию* более 60% и приводящая к замене в одном из полипептидов высококонсервативного аланина валином. Однако самое любопытное, что эта мутация клинически может проявляться либо болезнью Лебера, либо органическим поражением центральной нервной системы — дистонией, либо сочетанием обеих патологий. Иллюстрация тому — описанная в литературе родословная, насчитывающая 42 родственника по материнской линии: у 19% самая «жесткая» мутация проявлялась LHON, у 31% — дистонией, у 2% — сочетанной патологией.

* пенетрантность — частота фенотипического проявления гена; определяется по числу особей, у которых проявляется признак, контролируемый данным геном.

Стоит заметить, что различные фенотипические проявления присущи и другим видам мутаций митохондриального генома. Например, одна и та же делеция митохондриальной ДНК размером 4977 полинуклеотидов последовательностей обнаруживается у больных с синдромом Кернса-Сейра, при прогрессирующей наружной офтальмоплегии и синдроме Пирсона. Первые признаки заболевания (будь-то синдром Кернса-Сейра, прогрессирующая офтальмоплегия или синдром Пирсона) возникают при увеличении доли мутантных мтДНК до некого критического уровня в активно делящихся стволовых клетках костного мозга. Клинически такое состояние проявляется панцитопенией, развивающейся вследствие прекращения репликации мтДНК. По этой причине мутантная мтДНК в форменных элементах крови отсутствует, из-за чего молекулярно-генетическая диагностика проводится на биоптатах из скелетных мышц.

Недавно делеции митохондриального генома были идентифицированы у пациентов с болезнью Паркинсона. Причем в больших количествах: численность дефектных мтДНК у больных паркинсонизмом десятикратно превышала норму. Судя по результатам экспериментов на животных, дегенерация дофаминергических нейронов стриатума связана с угнетением активности дыхательной цепи митохондрий скелетных мышц и с делециями, локализованными на участках мтДНК, кодирующих некоторые компоненты дыхательной цепи митохондрий нейронов нигростриарных структур мозга.

Возникновение делеций объясняется тем, что при старении в силу ослабления системы антиоксидантной защиты существенно возрастает риск поражения мтДНК свободными радикалами кислорода — продуктами окисления катехоламинов. Сам же факт появления делеций, как говорится, погоды не делает: для проявления заболевания содержание пораженных митохондрий в нейронах стриатума должно достичь определенного — достаточно высокого — уровня.

Помимо паркинсонизма к митохондриальным патологиям сегодня причисляют и болезнь Альцгеймера. Разница лишь в том, что наблюдаемые при болезни Альгеймера дегенерация синаптосомальных митохондрий, снижение активности пируватдегидрогеназы и дефектность митохондриальной дыхательной цепи обусловлены не четко локализованными делециями, а множеством мутаций, «разбросанных» по всему митохондриальному геному.

Но вернемся к делециям, ассоциированным с болезнью Паркинсона.

Встречаются они реже ранее упомянутой делеции «многопрофильного действия»: по частоте встречаемости она лидирует среди всех известных на сегодня делеций. Но дупликациям уступает. Относительно частоты наследования комбинации обоих дефектов, статистика умалчивает. Однако такие случаи в литературе описаны. Пример тому — родословная, в которой по материнской линии наследуется делеция размером 10,4 полинуклеотидов и дупликация размером 6,1 полинуклеотидов в сочетании с сахарным диабетом и нейросенсорной глухотой.

Надо сказать, что структурные перестройки мтДНК — не единственная причина нейросенсорной глухоты. Часто подобная патология, наследуемая по линии матери, ассоциируется с заменой аденина на гуанидин в гене рибосомальной РНК, приводящей к нарушению синтеза белка. Вероятность проявления этой мутации увеличивается с возрастом и при наличии провоцирующих внешних факторов. (В частности, ее проявление инициирует прием аминогликозидов.) В состоянии гомоплазмии она была впервые идентифицирована в арабской семье из Израиля, большинство членов которой полностью утратили слух в младенчестве, остальные — в детстве или в юности. Как выяснилось в дальнейшем, раннее начало болезни связано с рецессивными ядерными генами, усиливающими пенетрантность мутации мтДНК.

Мутации в генах транспортной РНК (к слову, тоже вызывающие нарушения в синтезе белка) считаются основной причиной многих тяжелых нейромышечных заболеваний.

В отличие от мутаций в генах рибосомальной РНК, они встречаются лишь в состоянии гетероплазмии. Скорее всего, по причине летальности зигот с гомоплазмией in utero. И, что немаловажно, количество мутантной мтДНК в скелетных мышцах обычно коррелирует с тяжестью заболевания и степенью биохимических и гистологических изменений.

Две такие мутации, вызывающие примерно одинаковый дефект в дыхательной цепи митохондрий, ассоциированы с двумя сходными по симптоматике заболеваниями — митохондриальной миопатией и энцефалопатией с лактат-ацидозом и инсультоподобными эпизодами (MELAS) и миоклональной эпилепсией с митохондриальным синдромом «разорванных красных волокон» (MERRF). А одна из этих мутаций идентифицируется примерно у половины больных сахарным диабетом, наследуемым по линии матери и сопровождающимся нейросенсорной глухотой. Признаки поражения центральной нервной системы, характерные для MELAS, в этом случае отсутствуют.

Иными словами, мутации в генах транспортной РНК тоже могут иметь различные клинические проявления. По-видимому, по причине влияния ядерного генома.

Но самое интересное, что при одинаковом уровне гетероплазмии (порядка 70%) признаки поражений центральной нервной системы наблюдаются практически у всех больных с MELAS и крайне редко — у больных с MERRAF. А вероятность рождения больного ребенка при этом же уровне гетероплазмии (т.е.~ 70%) у носительницы мутации MELAS намного — в 11,4 раза — выше, чем у носительницы мутации MERRF. Почему так происходит, непонятно. Впрочем, это не единственный вопрос, на который еще предстоит ответить.

Литература

  1. Ершова С. А. Дисфункция митохондрий при нефропатиях у детей // Нефрология и диализ.— 2003.— Т. 5, № 4.
  2. Кешинян Е. С. и др. Использование препарата Элькар (L-карнитин) в педиатрии // Terra Medica.— 2001.— № 4.
  3. Сукерник Р. И. и др. Митохондриальный геном и митохондриальные болезни человека // www.eyenews.ru
  4. Зозуля Ю. П., Черченко А. П. Митохондриальные заболевания центральной нервной системы // www.eyenews.ru




© Провизор 1998–2017



Грипп у беременных и кормящих женщин
Актуально о профилактике, тактике и лечении

Грипп. Прививка от гриппа
Нужна ли вакцинация?
















Крем от морщин
Возможен ли эффект?
Лечение миомы матки
Как отличить ангину от фарингита






Журнал СТОМАТОЛОГ



џндекс.Њетрика