БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 5, с. 631 - 641
УДК 576.3;576.311.3;576.5;577.352.52;581.17;612.014;616.092
МИТОРАЗНООБРАЗИЕ
© 2015 В.А. Попков1, Е.Ю. Плотников2, К.Г. Лямзаев2, Д.Н. Силачев2, Л.Д. Зорова3, И.Б. Певзнер2, С.С. Янкаускас2, С.Д. Зоров1, В.А. Бабенко1, Д.Б. Зоров2*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва; факс: +7(495)939-0338, электронная почта: zorov@genebee.msu.ru
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Международный учебно-научный лазерный центр, 119991 Москва
Поступила в редакцию 11.01.15 После доработки 15.01.15
Мы дополняем недавно введенный нами термин «митобиота» еще одним термином «миторазнообразие», означающим разную степень гетерогенности фенотипа и генотипа митохондрий в пределах одной клетки или органа. Такая гетерогенность, как следует из наших данных по значениям трансмембранного потенциала митохондрий in situ и in vitro в норме и после ишемии/реперфузии органа, особенно сильно проявляется в условиях патологии. При этом даже в патологических условиях сохраняется часть популяции митохондрий с величинами потенциала, характерными для нормального состояния, что, вероятно, может служить базой для разработки путей обращения патологического состояния в норму. Показана прямая корреляция между значениями мембранного потенциала изолированных митохондрий и боковым светорассеянием, отражающим внутреннюю структуру митохондрий. Проведен анализ возможных трактовок значений мембранного потенциала митохондрий, полученных с использованием флуоресцентных зондов. Делается предположение о возможном механизме удержания флуоресцентных зондов в клетке и митохондрии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, гетерогенность, разнообразие, хондриом, популяционный анализ, мембранный потенциал, ишемия, патология, повреждение.
В последнее время митохондрии привлекают все большее внимание научного сообщества. Разнообразие внутриклеточных функций ставит митохондрии по важности в центр регуляции процессов как энергообразующих, или энерго-преобразующих, так и неэнергетических — сигнальных или синтетических [1, 2]. На текущий момент стало ясно, что нарушение ряда мито-хондриальных функций является основой патологических процессов в клетке [3].
Многообразие митохондриальных функций позволяет рассуждать о некотором распределении части этих функций внутри митохондри-альной популяции в клетке или ткани, т.е. предположить частичную внутриклеточную специализацию разных митохондрий в хондриоме. Для клеток эта специализация, видимо, возможна, прежде всего, там, где хондриом представлен не
Принятые сокращения: ТМЯБ — этиловый эфир тетраметилродамина, мтДНК — митохондриальная ДНК.
* Адресат для корреспонденции.
единым образованием [4, 5], а состоит из отдельных митохондрий [6], пусть даже осуществляющих взаимный обмен за счет известного процесса слияния и фрагментации [7, 8]. Наверное, обязательным требованием доказательства частичного распределения функций между членами митохондриального сообщества является доказательство морфологической и функциональной гетерогенности митохондрий, особенно в пределах одной клетки или одного органа. Также мы допускаем, что такая специализация частично соответствует распределению функций у социальных видов животных (например, пчел или колоний грызунов), у которых она приводит к изменению фенотипа животного, сопровождаемому изменением качества жизни.
Понимание того, что не существует совершенно одинаковых биологических структур, постепенно приходит к исследователям, как и понимание того, что не существует совершенно одинаковых патологий. Обоснование индивиду-ализации/персонализации биологии и медици-
ны все больше звучит как призыв изменить традиционный подход универсального представления о сложных биологических структурах, таких как органелла, клетка или орган.
Один из авторов данной работы (Д.Б. Зоров) в свое время, изучая роль митохондрий при диабете, столкнулся с проблемой, которая логически предполагала гетерогенность клеточной и митохондриальной популяций в органе. Измерение уровня ионов кальция в митохондриях кардиомиоцитов нормальных и диабетических животных при активации сократительной деятельности этих клеток показало, что в среднем концентрации ионов кальция повышались у диабетических животных не столь значительно, как у нормальных животных [9]. Это соответствовало представлению о невозможности в кардиомиоците диабетического животного осуществить необходимую Са2+-зависимую активацию митохондриальных дегидрогеназ для усиленного синтеза АТР в условиях повышенных энергозатрат. Для получения достоверного результата в виде статистически значимого различия между кальций-транспортирующими системами нормальных и диабетических клеток потребовался анализ значительного количества кардиомиоцитов. В этом статистическом анализе оказались скрытыми частные результаты, показывавшие, что концентрации ионов кальция у больных животных изредка были не только не меньше, но равны, а иногда и превышали значения, определяемые у контрольных животных. Это означало, что в диабетическом сердце сохранялась малая популяция здоровых клеток. Вывод напрашивался простой: в данном случае диабетическая патология — это болезнь, затрагивающая не все сердце, а лишь основную часть клеток, в конечном счете придающая сердцу патологический фенотип. Такой вывод является очень важным для будущих стратегий борьбы с разными патологиями, учитывая возможную сохранность части здоровой популяции, от которой представляется теоретически возможным провести возврат в общий нормальный фенотип. Вероятно, существует определенный порог соотношения популяции больных клеток к общему числу клеток в органе для проявления патологического фенотипа органа.
Такой же принцип был нами недавно разработан при анализе митохондриальной популяции, в результате чего мы, по аналогии с термином «микробиота», ввели термин «митобиота» как содружество разных по структуре и функциям митохондрий в клетке или органе [10]. Поразительное разнообразие митохондриальных структур и функций, особенно в патологической клетке, подтверждает гетерогенность мито-
хондрий с предположительным порогом для фе-нотипического проявления митохондриальной болезни при увеличении доли патологических митохондрий (или мтДНК) в общем пуле митохондрий в популяции [11].
Существует обширная литература, подтверждающая гетерогенность митохондриальной популяции, основанная на данных о различных физико-химических свойствах отдельных митохондрий и их белковом составе. В обзоре, опубликованном в 2009 г., приведена сводная таблица данных, подтверждающих гетерогенность митохондрий [12]. Давно утвердилось деление митохондрий в клетке скелетной мышцы на две популяции: субсарколеммальные и интерфибриллярные митохондрии [13], хотя постоянно появляются данные о наличии субпопуляций митохондрий и в других тканях [14—16]. В силу легкости методических подходов (использование витальных флуоресцентных красителей для определения мембранного потенциала) особое внимание уделялось гетерогенности трансмембранного потенциала митохондрий [17], но другие митохондриальные параметры — изоэлект-рическая точка [18], Са2+-сигналинг, основанный на взаимодействии с ретикулумом [19], содержание кардиолипина [20] и различных белков, включая ключевой элемент митохондри-ального транспорта ТОМ22 [21], — оказались распределены неодинаково между членами ми-тохондриальной популяции. Эти различия в свойствах митохондрий наблюдались как in vitro, так и in situ. Важный анализ гетерогенности митохондриального мембранного потенциала в одной клетке был проведен в группе Черняка [22], где митохондрии дискриминировались по значению мембранного потенциала с интерпретацией наличия разного уровня генерации эндогенных активных форм кислорода, которые в основном производились малой фракцией де-энергизованных митохондрий. Гетерогенность митохондрий по степени базовой и амплифици-рованной генерации активных форм кислорода в клетках прослеживалась и в других работах [23, 24].
Понимая, что присутствие популяции низ-коэнергизованных митохондрий в клетке может в большей части случаев отражать низкое качество клетки, мы предложили фракционировать клетки по величине среднего значения трансмембранного потенциала митохондрий [25]. Позже по этому же принципу аналогичное фракционирование было предложено для выделения наиболее жизнеспособной популяции клеток сперматозоидов [26].
В последние годы стало ясным, что гетерогенность митохондрий в частности определяется
двумя сопряженными процессами — митохонд-риальной динамикой (фрагментация и слияние митохондрий) [27] и аутофагией (митофагией) [12, 28]. Данные по митохондриальной гетерогенности были усилены использованием самых современных микроскопических методов исследований [29—31], все больше укрепляя предположение о митохондриальном разнообразии в клетке.
В 2007 г., исследуя состояние митохондрий в переживающих срезах почки, подверженной ишемии/реперфузии, мы обнаружили существенную вариацию митохондриального трансмембранного потенциала, измеренного по интенсивности флуоресценции митохондриально-го зонда, этилового эфира тетраметилродамина (TMRE) [32]. Тогда анализ такой митохондри-альной гетерогенности не был произведен, равно как и не был понятен ее смысл и механизм. В данной работе мы представляем новый подход для оценки гетерогенности митохондриальной популяции в почке in situ и in vitro, сравнивая эти значения в двух условиях: в норме и при ишеми-ческом повреждении, и высказываем предположение о механизмах и самой сущности митохонд-риальной вариабельности.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Моделирование ишемического повреждения.
Для моделирования ишемического повреждения почки была выбрана широко применяемая в мировой практике модель ишемии/реперфу-зии. Крыс наркотизировали хлоралгидратом (300 мг/кг внутрибрюшинно), после чего выполняли разрез брюшной стенки. Сосудистый пучок
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.