Мутации митохондриальной ДНК

О том, что такое ДНК, читайте в статье «Старение и тайны ДНК»

Митохондриальная ДНК

ДНК хранится не только в ядре клеток, но и в их цитоплазме, точнее – в митохондриях. Это специальные структуры клетки (органоиды), отвечающие за образование энергии – энергетические станции организма.

Также митохондрии вовлечены во множество других клеточных процессов: дифференцировка клеток, апоптоз (запрограммированная гибель клеток), контроль клеточного цикла и рост.

Чтобы столь жизненно важные процессы проходили без сбоев, в митохондриях и содержится собственный геном, представленный кольцевой молекулой ДНК, состоящей из 37 генов. В каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома, а в каждой клетке – несколько десятков митохондрий.

Наследование ДНК от родителей

Ядерные и митохондриальные ДНК наследуются по-разному. Каждый ребенок получает двойной «комплект» ядерной ДНК: один — от мамы, другой — от папы. Поэтому дети так похожи на своих родителей.

Митохондриальные гены передаются потомкам ТОЛЬКО ОТ МАТЕРИ. Это связано с тем, что всю цитоплазму с содержащимися в ней митохондриями дети получают вместе с яйцеклеткой, в то время как в сперматозоидах цитоплазма практически  отсутствует. По этой причине женщина с митохондриальным заболеванием передаёт его всем своим детям, а больной мужчина — нет.

Ряд мутаций митохондриального генома может передаваться по наследству от матери к ребёнку и далее умножиться путём деления митохондрий, содержащих мутантную ДНК.

Митохондриальные заболевания

В норме все митохондрии в клетке имеют одинаковую копию ДНК (гомоплазмия). Однако митохондриальный геном отличается выраженной нестабильностью: в нем нередко возникают мутации.

В одной клетке могут сосуществовать митохондрии нормальные и с нарушенной функцией (гетероплазмия). За счет первых клетка осуществляет свои функции. Если же продукция энергии в ней падает ниже определенного порога, происходит компенсаторная пролиферация (увеличение органоида и повышение его функции) всех митохондрий, включая дефектные. Поэтому в начале болезни мутации могут вообще не иметь внешних проявлений.

Однако наступает момент, когда происходит срыв компенсаторных механизмов, и заболевание проявляется. Естественно, при этом в худшем положении оказываются клетки, которые потребляют много энергии: мышечные волокна, кардиомиоциты, нейроны.  Митохондриальные заболевания затрагивают в основном мышечную и нервную системы и, как правило, характеризуются поздним началом клинических проявлений.

Характерными признаками митохондриальных мутаций являются:

• низкая толерантность к физической нагрузке, гипотония, проксимальная миопатия, включающая фациальные и фарингеальные мышцы, офтальмопарез, птоз;
• нарушения сердечного ритма, гипертрофическая кардиомиопатия;
• атрофия зрительного нерва, пигментная ретинопатия, миоклонус, деменция, инсультоподобные эпизоды, расстройства психики;
• аксональная нейропатия, нарушения двигательной функции желудочно-кишечного тракта;
• диабет, гипопаратиреоидизм, нарушение экзокринной функции панкреас, низкий рост.

Также митохондриальные мутации вызывают нефротический синдром в период беременности и внезапную смерть младенцев.

Болезни, обусловленные генетическими дефектами митохондрий, встречаются у одного из 200 человек. В США ежегодно рождается от 1 до 4 тысяч детей с данной патологией, а более чем у 4 тысяч она развивается по достижении возраста 10 лет.

Ре­организация митохондриального генома обнаружена также при старении организма и злокачественном перерождении тканей.

Все эти проблемы, а также возможности прогнозирования и лечения заболеваний, связанных с аномалиями митохондриального генома, являются предметом изучения «митохонд­риальной медицины». Сформировавшись как самостоятельное направление в конце XX столетия, сегодня она представляет наиболее интенсивно разви­вающуюся область исследования генетики клеточных органелл.

Диагностика митохондриальных болезней

Для митохондриальных болезней характерны следующие лабораторные признаки:

• наличие ацидоза;
• повышенные уровни лактата и пирувата в крови;
• гиперкетонемия;
• гипераммониемия;
• повышение концентрации ацетоацетата и 3-оксибутирата;
• повышенное содержание аминокислот в крови и моче (аланина, глутамина, глутаминовой кислоты, валина, лейцина, изолейцина);
• повышенные уровни жирных кислот в крови;
• гиперэкскреция органических кислот с мочой;
• снижение уровня карнитина в крови;
• увеличение содержания миоглобина в биологических жидкостях;
• снижение активности митохондриальных ферментов в миоцитах и фибробластах.

Однако для выявления митохондриальной дисфункции недостаточно рутинных биохимических методов исследования, необходимо проведение специальных тестов: анализа активности ферментов в биоптатах скелетных мышц, определение активности ферментов дыхательной цепи (цитрат-синтетазы, сукцинатдегидрогеназы и цитохром С-оксидазы).

Важная информация может быть получена при одновременном исследовании материала с помощью световой и электронной микроскопии. Маркерами митохондриальных болезней являются: феномен «рваных» красных волокон, резкое увеличение размеров митохондрий, локальные некрозы мышечных волокон и пр.

Также проводится генетическое обследование на наличие мутаций митохондриальной ДНК.

Лечение митохондриальных мутаций

Лечение заболеваний, вызванных мутациями различных генов в настоящее время представляет определенные трудности. Однако учеными из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе впервые удалось найти универсальный способ корректировки мутаций митохондриальной ДНК человека с помощью молекул РНК.

Джен Вон (Geng Wang), научный сотрудник Центра Регенеративной Медицины и Исследований Стволовых Клеток, разработал метод доставки в митохондрии специфических ядерных молекул РНК необходимых для восстановления мутаций митохондриальных генов.

В экспериментах на моделях митохондриальных заболеваний на двух разных клеточных линиях ученым удалось доставить в митохондрии множество разных молекул РНК, где те успешно исправляли нарушения и восстанавливали нормальный уровень производства энергии.

Метод может стать инновационной технологией для терапии митохондриальных генетических заболеваний. Однако он еще находится в стадии доработки.