УДК 577.2
МУТАЦИИ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК И МЕТОДЫ ИХ КОРРЕКЦИИ
Обзор
© 2014 М.В. Патрушев12, П.А. Каменский12*, И.О. Мазунин2*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12; факс: +7(495)939-4309, электронная почта: peter@protein.bio.msu.ru 2 Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта, 236038 Калининград, ул. Александра Невского, 14; факс: +7(4012)595-595, электронная почта: IMazunin@kantiana.ru
Поступила в редакцию 31.06.14 После доработки 14.08.14
Митохондрии — это единственные, кроме ядра, клеточные органеллы животных клеток, содержащие свой собственный геном. Митохондриальная ДНК значительно меньше ядерной по размерам и кодирует всего несколько десятков биологических макромолекул. Тем не менее мутации в митохондриальных генах часто приводят к развитию тяжелых наследственных заболеваний нейромышечного характера. В научной литературе постоянно появляются все новые и новые работы, описывающие ранее не идентифицированные мутации в ДНК митохондрий и их связи с клиническими симптомами. В данном обзоре мы сводим воедино всю имеющуюся на сегодняшний день информацию о таких мутациях, а также о разработанных к настоящему моменту генно-терапевтических подходах к их супрессии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондриальный геном, митохондриальная ДНК, мутации, митохондриальные заболевания, генная терапия.
Болезни, обусловленные нарушениями в структуре митохондриальной ДНК (мтДНК), представлены широким спектром самых разнообразных заболеваний. Общая численность описанных на сегодняшний день в научной литературе болезней митохондриального происхождения приближается к 400. Эти болезни на фенотипическом уровне в большинстве своем выражаются в различных нейродегенеративных и нейромышечных симптомах [1]. Первое описание митохондриальной болезни датируется 1962 г. [2]; заболевание было выявлено у женщины с симптомокомплексом гиперметаболизма, не ассоциированного с дисфункцией щитовидной железы. Существовавшие в те годы методы позволили лишь провести анализ биоптата скелетной мускулатуры на структурные и некоторые биохимические изменения, имевшие место в митохондриях пациента. Очевидно, что дан-
Принятые сокращения: мтДНК — митохондриальная ДНК, п.н. — пары нуклеотидов.
* Адресат для корреспонденции.
ная работа не выявила ни молекулярного происхождения патологии, ни механизмов ее взаимосвязи с симптомокомплексом. Тем не менее это исследование послужило мощным толчком к развитию отдельного направления молекулярной медицины, направленного на изучение участия митохондрий в различных патогенетических процессах. В течение большей части второй половины XX в. производились исследования комплексов дыхательной цепи в норме и их структурных и функциональных изменений при патологиях. На основе этих работ в 1985 г. была создана первая, но все еще актуальная классификация митохондриальных болезней, основанная на биохимических показателях функции этих органелл [3]. Параллельно проводилось изучение строения и функций мтДНК, которые были открыты в 1963 г. [4]. Так, в 1982 г. группой Джузеппе Аттарди были предложены механизмы репликации и транскрипции мтДНК [5]. 1988 год считается моментом начала «молекулярной эры» митохондриальных болезней. Именно в этом году практически одновременно
в научной печати появились две независимые работы, в которых описывались ассоциации полиморфизмов мтДНК и клинических фенотипов [6, 7]. Аналогичные исследования проводятся и по сей день, однако теперь они носят уже комплексный характер, затрагивая множество различных областей биологии клетки [8]. Все подтвержденные данные о полиморфизмах мтДНК, связанных с ними симптомокомплек-сах, а также другая значимая информация о функционировании генетического аппарата митохондрий, депонируются в специализированных базах данных М1ТОМАР (http://mitomap.org) и mtDB (http://www.mtdb.igp.uu.se).
В настоящем обзоре рассматриваются основные отличия митохондриальной генетики от менделевской, приводится современная классификация митохондриальных болезней и условия отнесения мутаций к списку патогенных, а также описываются некоторые молекулярные подходы к коррекции конкретных мутаций мтДНК. Особое внимание уделяется созданным за последние годы новым способам супрессии мутаций в митохондриальном геноме.
ОСОБЕННОСТИ МИТОХОНДРИЙ
Митохондрии — единственные, кроме ядра, органеллы клеток млекопитающих, имеющие собственный биосинтетический аппарат, включающий ДНК, а также белки, необходимые для реализации и передачи информации, закодированной в ДНК. Многие белки биосинтетического аппарата митохондрий напрямую взаимодействуют с мтДНК, образуя при этом супермолекулярные комплексы, названные нуклеоидами. Каждый нуклеоид включает 1—10 молекул мтДНК, ассоциированных с гистоноподобными белками и белками, участвующими в транскрипции и трансляции мтДНК [9]. МтДНК человека имеет кольцевую структуру, относительно небольшой размер (16 659 п.н.) и включает в себя 13 структурных генов, 22 гена тРНК и 2 гена рРНК [10].
Среди характерных свойств мтДНК, отличающих ее от ядерной ДНК, следует отметить многокопийность, которая выражается в присутствии, в среднем, 1000 копий молекул мтДНК на клетку, а также примерно в 20 раз более высокую частоту мутаций по сравнению с ядерной ДНК. Отдельно стоит упомянуть о гетероплаз-мии — феномене, выражающемся в одновременном присутствии в одной клетке нескольких вариантов мтДНК, отличающихся по длине и набору генов.
Среди функциональных проявлений описанных свойств мтДНК необходимо особо отме-
тить те, которые непосредственно влияют на клиническую картину, являющуюся следствием мутаций. Прежде всего это так называемый пороговый эффект гетероплазмии, заключающийся в существовании некоего минимального количества мутантных копий мтДНК относительно количества нормальных копий, при котором мутация проявляется фенотипически (иными словами — в виде клинических симптомов). Считается, что при 70% гетероплазмии клинически проявляется любая мутация мтДНК [11]. Однако следует отметить, что данный уровень весьма условен, а взаимосвязь между симптомо-комплексом и уровнем гетероплазмии носит индивидуальный характер [12].
мтДНК имеет также ряд особенностей при ее передаче следующим поколениям. Так, в подавляющем большинстве случаев мтДНК наследуется по материнской линии [13]. На сегодняшний день известно лишь об одном случае отцовского наследования, причем с клиническими последствиями, проявившимися у носителя в виде снижения переносимости физических нагрузок [14]. В связи с этим отцовские мутации мтДНК потомству не передаются.
При митозе митохондрии распределяются случайным образом, и дочерние клетки могут различаться по уровню гетероплазмии [15]. Это явление было названо митотической сегрегацией. Была предложена модель, согласно которой скорость сдвига в сторону мутантных мтДНК либо мтДНК дикого типа определяется составом нуклеоида родительской клетки [16]. В соответствии с этой моделью и мутантная мтДНК, и мтДНК дикого типа могут входить в состав одного нуклеоида (гетероплазматический нуклеоид) либо в отдельные нуклеоиды (гомоплаз-матический нуклеоид). Если материнская клетка содержит гетероплазматические нуклеоиды, то колебание уровня гетероплазмии дочерних клеток остается незначительным, однако в случае гомоплазматических нуклеоидов уровень ге-тероплазмии дочерних клеток различается весьма значительно и зависит от отбора и генетического дрейфа. С другой стороны, уровень гете-роплазмии мтДНК при первых трех зиготичес-ких делениях остается постоянным во всех блас-томерах, и только в шестнадцатиклеточном эмбрионе наблюдается первый сдвиг в ту или иную сторону. В яйцеклетке и полярном тельце уровень гетероплазмии также является одинаковым [17].
При оценке риска отягощенной наследственности по мутациям мтДНК особое значение имеет так называемый эффект бутылочного горлышка, который проявляется в различном уровне гетероплазмии у матери и ребенка. Так,
для одной из мутаций показано, что если у матери уровень гетероплазмии менее 25%, то треть детей не будет иметь патогенной мутации. Если же уровень гетероплазмии превышал 25%, то все участвовавшие в исследовании дети таких матерей имели патогенную мутацию [18]. Этот феномен обусловлен биогенезом митохондрий: в яйцеклетке до момента оплодотворения присутствует около 200 тыс. митохондрий, но после оплодотворения происходит череда зиготичес-ких делений без деления митохондрий, в результате чего с каждым таким делением количество митохондрий в бластомере уменьшается вдвое. Впоследствии первичные половые клетки содержат всего примерно 10 митохондрий. Таким образом, при формировании предшественников половых клеток митохондрии составляют лишь малую часть от изначального набора митохондрий зиготы [19]. Как следствие, потомок может иметь совершенно иной вариант мтДНК.
КЛАССИФИКАЦИЯ МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ БОЛЕЗНЕЙ И МУТАЦИЙ мтДНК
Митохондрии являются полуавтономными органеллами: их биогенез и функции зависят не только от структуры генов мтДНК, но в большой степени и от ядерных генов, продукты которых принимают непосредственное участие в жизнедеятельности этих органелл. Так, по данным, полученным методами биоинформатики, часть из которых подтверждена экспериментально [20], функции митохондрий определяют около 2000 белков; при этом только 13 из них кодируются непосредственно геномом органел-лы, а остальные закодированы в ядерной ДНК и импортируются из цитозоля [21]. В связи с этим очевидно, что большинство болезней, обусловленных дисфункцией митохондрий, берут свое начало в генах, локализованных в ядре. Этот
факт делает проблематичной классификацию митохондриальных болезней. Одна из часто используемых классификаций основана на функциях генов, мутации в которых приводят к клиническому фенотипу (табл. 1).
В данном обзоре мы не будем рассматривать мутации ядерных генов, т.к. их классификация и подходы к генной терапии соответствующих заболеваний не отличаются от таковых для других болезней, вызываемых мутациями в ядерной ДНК.
Универсальной классификации му
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.