Диссертация (Диагностическое значение определения особенностей митохондриальной ДНК при энцефаломиопатиях у детей), страница 4

В результате практически все митохондриальные гены(примерно полторы тысячи) были распределены по различным хромосомам, ав самой органелле осталось лишь 37 генов. Все полипептиды, синтезируемыесмтДНКявляютсясубъединицамиэлектронно-транспортнойцепиокислительного фосфорилирования [7].Тот факт, что основная часть митохондриальных генов разбросана поядерномугеному,определялнеобходимостьразвитияинструментакоординации их экспрессии для наиболее эффективного обеспечения ядраэнергией. По мнению современного научного сообщества, этот фактор явилсяодной из главных движущих сил создания межхромосомной системырегуляции транскрипции [4].На протяжении последующих 1,2 миллиардов лет структура ядра ицитозоля эволюционировала, становясь все более совершенной, в то время какмитохондрии стали отвечать исключительно за продукцию энергии.

В концеконцов, эта эволюция стала ключом к появлению многоклеточности, развитиюогромного спектра организмов, в том числе и человека. При этом всепоследующие этапы развития тканей и органов различных видов и адаптацияих к условиям окружающей среды продолжали своими корнями уходить вбазовые биоэнерго-эпигенетические взаимоотношения [21].201.7. Гаплогруппы мтДНКМитохондриальнаяДНКвысококонсервативна,заисключениемнебольшого полиморфного контрольного региона. Появляющиеся отклоненияотисходнойпоследовательностилибоминорнывклетке,либоэлиминируются митоптозом [10]. В обоих случаях практически исключаетсяих наследственная передача из-за т.н. эффекта бутылочного горлышка – лишьмалая часть материнской мтДНК (содержащаяся во всех яйцеклетках матери)образует популяцию в плоде [29].На заре популяционного взрыва вида Homo sapiens структура мтДНКбыла,предположительно,одинаковауподавляющегобольшинстваиндивидуумов [30].

Однако при расселении человечества происходилгенетический дрейф, который затронул в том числе и митохондриальныйгеном. В различных человеческих субпопуляциях, занимавших разныегеографические регионы, формировались и выдерживали отбор определенныеполиморфизмыматеринскиемтДНК.линииПостепеннонаследования,сформировалисьхарактеризуемыедискретные5-15такимиполиморфизмами. Эти варианты последовательности мтДНК носят названиегаплогрупп [31]. Эволюция гаплогрупп происходила на протяжении сотентысяч лет, и сегодня их существует около двух десятков (рис.

1.2). Внутрикаждой гаплогруппы выделяют от двух до нескольких десятков субкладов(подгрупп), каждая из которых несет характерные полиморфизмы мтДНК [32].Около 95% европейцев принадлежит к одной из десяти основныхгаплогрупп: H, J, T, U, K, M, I, V, W, X . Предполагается, что особенности,отличающие эти линии наследования, сформировались в качестве адаптациик условиям окружающей среды [33]. К примеру, гаплогруппы J и Т наиболеераспространены в северной Европе [34]. Они обладают разобщающимпотенциалом,снижающимэффективностьсцеплениякомплексовокислительного фосфорилирования. В результате, в митохондриях снижается21продукция АТФ, но повышается термогенез, что может являться механизмомадаптации к холодному климату [34].АзияЕвропаАфрикаРисунок 1.2.

Схема филогенетического древа митохондриальных гаплогрупп.Существует множество научных данных о влиянии гаплогрупп наразличные физиологические характеристики, такие как долгожительство,подвижностьсперматозоидов,когнитивныеспособности,предрасположенность к краткосрочным или долгосрочным физическимнагрузкам и т.п.

[33] [31]. С другой стороны, с каждым годом увеличиваетсячисло работ, свидетельствующих о том, что гаплогруппа может служить«фоном» для проявления комплексных заболеваний или, напротив, снижатьтакие риски [35]. В случае с оптической нейропатией Лебера у пациентов сгаплогруппой J заболевание проявляется более выражено за счет относительноповышенногоуровняразобщенияокисления/фосфорилированияисветочувствительной выработки активных форм кислорода в сетчатке. В товремя как у европейцев с гаплогруппой Н риск заболевания снижен, так каксцепление процессов в митохондриях более эффективно и активные формы22кислорода лучше утилизируются. Описаны случаи мутаций, ассоциированныхс этим заболеванием, на фоне гаплогруппы L3.

Вероятен кумулятивныймеханизм проявления синдрома на фоне этой гаплогруппы, так как описанныемутации встречаются и у здоровых людей того же этноса [36].Гаплогрупповые полиморфизмы мтДНК могут влиять как на структурукомплексов ЭТЦ, так и на уровень экспрессии митохондриальных генов [37].Несмотря на противоречивость существующих исследований, не остаетсясомнений, что гаплогруппы могут служить важными биомаркерами дляоценки предрасположенности, течения и прогнозирования исхода различныхзаболеваний. В первую очередь, безусловно, их влияние распространяется наболезни, включающие в патогенез нарушения митохондриального аппарата.1.8. Этиология заболеваний энергообменаСовременное определение эпигенетики заключается в изучениинаследственной информации, которая передается во время деления клеток,отличной от информации, содержащейся в ядерной ДНК. Таким образом,эпигенетические факторы являются гибкой системой настройки организма поотношению к окружающей среде [38].

До недавних пор последовательностиДНК, которые интересовали специалистов в области биологии или медицины,представляли собой лишь хромосомную ДНК. Этот генетический материалпередается новым поколениям клеток через митотические или мейотическиеделения согласно правилам менделевского наследования. Однако наиболеераспространенные метаболические заболевания, а также некоторые виды рака,неподчиняютсяэтимзаконам.Всвязисэтим,«комплексные»(мультисистемные) заболевания принято связывать с эпигенетическимиизменениями в ответ на внешние условия [27].С другой стороны, уже более 25 лет в качестве альтернативногообъяснения этиологии комплексных заболеваний рассматривается явлениеэнергодефицита [39]. Энергия является первичным лимитирующим факторомдля роста и размножения любых биологических систем.

Первые данные о том,23что мутации в мтДНК могут вызывать заболевания, появились в конце 80-хгодов прошлого века. В 1988 г. научной группой под руководством D. Wallaceбыла описана мутация в гене комплекса 1 дыхательной цепи ND4, приводящаяк наследственной атрофии зрительных нервов Лебера [40].

За этимпоследовали многочисленные исследования, доказывающие связь нарушенийв митохондриальном геноме с широчайшим спектром метаболических идегенеративныхзаболеваний.Болеетого,былоустановлено,чтовысокоадаптивная к окружающим условиям мтДНК является одним изважнейших факторов предрасположенности к практически любому типукомплексных заболеваний [41].

Здесь можно выделить два основных типанаследственных заболеваний энергообмена: первичные, причиной которыхявляется непосредственно мутация в митохондриальных генах; и вторичные –то есть те, для которых митохондриальные нарушения являются важнымпатогенетическим звеном, однако первопричина лежит в мутации несвязанных с функционированием митохондрий генах [1].1.9. Первичные митохондриальные заболеванияМитохондриальныезаболевания—этогетерогеннаягруппапатологических состояний, связанных с первичным нарушением функциимитохондриальной дыхательной цепи.

Эти заболевания являются орфанными,распространенность среди новорожденных по данным разных авторовсоставляет 1:5000 – 1:7600 [42]. При этом, митохондриальные заболеванияобщепринятосчитаютсяосновнойпричинойнейрометаболическихрасстройств в детском возрасте и служат причиной около 15% случаевзадержек психомоторного развития и миопатий неустановленного генеза [43].Единой классификации митохондриальных болезней, учитывающей всеаспекты патологии и молекулярно-генетических механизмов, на сегодняшнийдень не разработано.

С генетической точки зрения митохондриальныезаболевания принято подразделять на связанные с мутациями в ядерной ДНКили мтДНК. В таблице 1.1 приведены ключевые митохондриально-24кодируемыесиндромымитохондриальных(которыенарушений),составляютатакжегены,около50%дефектывсехкоторыхобусловливают указанные синдромы.Большинство заболеваний отличается прогрессирующим течением имультисистемным поражением множества органов и тканей.

В первуюочередь подвержены патологическим изменениям наиболее энергозависимыеткани: нервная и скелетно-мышечная. Клинические проявления со сторонынервно-мышечной системы (нервно-мышечный симптомокомплекс) являютсяосновными индикаторами митохондриальной природы заболевания. К такимпроявлениям относят: респрираторный и нейродистресс синдром, нарушениефизическогоипсихомоторногоразвития,миопатическийсиндром,инсультоподобные состояния. Важным диагностическим признаком служитснижение толерантности к физической нагрузке: физическое усилиепровоцирует ухудшение состояния пациента или приводит к возникновениюновых симптомов.Не менее чем у половины больных также отмечаются поражениясердечно-сосудистой системы, нарушения зрения и слуха, поражения печени,почек, эндокринные и желудочно-кишечные расстройства.25Таблица1.1.Классическиемитохондриальныесиндромыиассоциированные с ними гены, согласно данным литературы [44].СиндромГеныMELASMTTL1, MTTQ, MTTH, MTTK, MTTC, MTND1, MTND4, MTND5,MTND6, MTTS1, MTTS2MERRFMTTK, MTTL1, MTTH, MTTF, MTTS1, MTTS2NARPMTATP6MILSMTND2, MTND3, MTND5, MTND6LHONMTCOI, MTCO3, MTCYB, MTATP6, MTND1, MTND2, MTND4,MTND5, MTND6MIDDMTTL1, MTTE, MTTKKSSкрупные делеции, MTTL, MTTKPSкрупные делецииCPEOкрупные делеции, MTTH, MTTKСокращения:MELAS-митохондриальнаяэнцефаломиопатия,лактатацидоз,инсультоподобные эпизоды;MERRF - миоклоническая эпилепсия с рваными мышечными волокнами;NARP - невропатия, атаксия, пигментная дегенерация сетчатки;MILS – матерински наследуемый синдром Ли;LHON - наследственная оптическая нейропатия Лебера;MIDD - наследуемый по материнской линии синдром диабета и глухоты;KSS – синдром Кернса-Сейра;PS – синдром Пирсона;CPEO – прогрессирующая наружная офтальмоплегия.261.9.1.

Митохондриальные энцефаломиопатииМитохондриальные энцефаломиопатии (мтЭМП) – это наиболее общая,а следовательно, распространённая группа митохондриальных заболеваний.Общей их чертой являются симптомы со стороны ЦНС и мышечного аппарата.Причиной этих заболеваний служат мутации в ядерной или митохондриальнойДНК [45]. Наиболее тяжелые формы митохондриальных энцефаломиопатийвызываются, как правило, мутациями в генах ATP6 и транспортных РНК.Нарушения тРНК приводят к существенному снижению синтетическойактивности органеллы: падает уровень белковой продукции. Белок же,кодируемый геном ATP6, является необходимой частью комплекса Vдыхательной цепи (F1F0-АТФ-синтазы), которая функционирует как ионныйканал, используя межмебранный протонный градиент для синтеза АТФ,универсального источника энергии клетки [2].Основнойдиагностическойзагадкойостаетсявозможностьформирования клинических картин таких разных заболеваний как, например,MERRF и MELAS за счет однотипных мутаций в определенных точках геновтРНК (например, точечная замена A3243G) [46].