АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Гинтер 6.1. митохондриальное наследование и митохондриальные болезни

Митохондрии являются клеточными органеллами. Особенности строения митохондрий указывают на их эндосимбио-тическое происхождение. Митохондрии имеют две высокоспециализированные мембраны — наружную и внутреннюю, кольцевую молекулу ДНК, а также собственные системы транскрипции и трансляции. Каждая клетка содержит несколько сотен митохондрий. В них осуществляется ряд важных биохимических цепей реакций, из которых особенное значение для энергетического обмена клетки имеет окислительное фосфорилирование. В результате этого процесса образуются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) — основного источника энергии во многих биохимических превращениях. В митохондриях также содержатся ферменты, участвующие в биосинтезе пуринов, в цикле трикабоновых кислот, мочевины, окисления пирувата и т.д.

Дыхательная цепь митохондрий состоит из 5 мультифер-ментных комплексов, субъединицы которых кодируются как ядерными, так и митохондриальными генами. В переноске электронов участвуют коэнзим ОТО и цитохром с. Электроны поступают от молекул КАО*Н и РАТУН и переносятся по дыхательной цепи. Высвобождаемая энергия используется для транспорта протонов к внешней мембране митохондрий, а возникающий электрохимический градиент — для синтеза АТФ с помощью комплекса V дыхательной цепи митохондрий.

Как уже отмечено, митохондрии имеют собственную ДНК, в каждой митохондрии содержится 10 и более молекул ДНК. Геном митохондриальной ДНК (мтДНК) полностью расшифрован. Он включает 16 569 нуклеотидов, которые образуют двунитевую кольцевую молекулу. В митохондриаль-ном геноме есть гены для двух рибосомальных РНК, 22 тРНК и 13 полипептидов, участвующих в реакциях окислительного фосфорилирования (рис. 6.1); мтДНК не содержит интронов.

Митохондриальные белки, вовлеченные в окислительное фосфорилирование, включают компоненты комплекса I (субъединицы ЫАОН-дегидрогеназы: N01—N06), комплекса III (цитохром Ь), комплекса IV (субъединицы цитохромок-сидазы I, II, III) и комплекса V (субъединицы 6 и 8 митохон-дриальной АТФазы). Все другие гены, кодирующие митохондриальные белки (примерно 1100), транскрибируются в ядре, транслируются в цитоплазме, затем импортируются митохондриями. Нарушение взаимодействия между митохондриаль-

IV

9.

й 6 й о ф • 4 □

1 2 3 41—г-|5 6 Т—1—'8

6Ъ ■

Рис. 6.2. Пример родословной с материнским наследованием мито-хондриального заболевания.

Больные отцы не передают митохондриальное заболевание своим детям. Больные матери могут передать митохондриальное заболевание как своим дочерям, так и сыновьям (ИЗ, 1117).

4 5

ным и ядерным геномами служит причиной разнообразной митохондриальной патологии.

Поскольку мтДНК содержится в цитоплазме клеток, она наследуется только по материнской линии. В цитоплазме яйцеклетки есть тысячи митохондрий и, следовательно, десятки тысяч молекул мтДНК. В то же время в сперматозоиде имеется только несколько молекул мтДНК, которые не попадают в оплодотворяемое яйцо. Поэтому мужчины наследуют мтДНК от своих матерей, но не передают ее своим потомкам. Такой тип наследования называется материнским наследованием, или наследованием по материнской линии. Родословная, демонстрирующая материнское наследование митохон-дриального заболевания, приведена на рис. 6.2.

Обычно все копии мтДНК идентичны, и такое состояние называют гомоплазмией. Иногда, однако, в мтДНК возникают мутации. Вследствие не очень совершенной работы митохондриальной ДНК-полимеразы и репаративных систем мутации в мтДНК возникают в 10 раз и более чаще, чем в ядерной ДНК. Появление мутации в одной из молекул мтДНК может привести к возникновению двух популяций мтДНК в клетке, что называют гетероплазией. В результате деления клеток мутант-ная мтДНК попадает в другие клетки, где она продолжает размножаться. Этот процесс распространения мутантной, как, впрочем, и нормальной мтДНК, называют репликативной сегрегацией. Доля мутантной мтДНК во время этого процесса может существенно меняться. Причинами изменения доли мутантной мтДНК при делении клеток могут быть как селективные преимущества мутантной мтДНК, так и случайные колебания в числе молекул мтДНК, попадающих во вновь делящиеся клетки. При такой сложности механизма наследования мутантной мтДНК вызывает удивление, как часто популяция мутантной мтДНК в яйцеклетке оказывается в состоянии го-моплазмии. Однако даже в том случае, когда в оплодотворен-

ной яйцеклетке находится смесь из мутантных и нормальных молекул мтДНК, вероятность развития митохондриального заболевания у потомка может быть достаточно высокой. Энергетические потребности разных тканей организма, которые удовлетворяются в значительной мере митохондриальной АТФ, различны. Наиболее энергопотребляющей является нервная система. Именно поэтому эта система в первую очередь поражается при митохондриальных болезнях.

Классификация митохондриальных болезней базируется на двух принципах: 1) участие мутантного белка в реакциях окислительного фосфорилирования; 2) кодируется ли мутантный белок мтДНК или ядерной ДНК.

В класс I входят первичные дефекты окислительного фосфорилирования. Подкласс 1а включает заболевания, возникающие в результате мутаций в генах мтДНК, которые кодируют субъединицы белков, участвующих в окислительном фос-форилировании, митохондриальные тРНК и рРНК. В подклассе 1а выделяют три группы в зависимости от природы мутаций: крупные делеции и дупликации мтДНК, точковые мутации и небольшие перестройки в генах, кодирующих белки, и небольшие мутации в генах тРНК и рРНК. Мутации, относящиеся к классу 1а, могут проявиться только в том случае, когда они имеются в 60 \% и более мтДНК. Митохондриальные болезни класса 1Ь обусловлены мутациями в ядерных генах (более 70 \%), кодирующих субъединицы белков, которые участвуют в окислительном фосфорилировании.

Митохондриальные болезни класса II вызваны мутациями ядерных генов, продукты которых импортируются митохондриями и нарушают транскрипцию, трансляцию или репликацию мтДНК, вызывают прямое повреждение мтДНК или репарацию таких повреждений, нарушают сборку субъединиц ферментов, участвующих в реакциях окислительного фосфорилирования или их импорт митохондриями. В этот же класс попадают те болезни, которые вызываются эндогенными или экзогенными токсинами. Мы рассмотрим те митохондриальные болезни, которые попадают в класс 1а.

К классу I митохондриальных болезней относится атрофия дисков зрительных нервов Лебера. Заболевание проявляется острой или подострой потерей центрального зрения, обусловленной атрофией зрительных нервов. Заболевание может начаться как в детском, так и в пожилом возрасте. У некоторых больных атрофия зрительных нервов сочетается с симптомами энцефаломиопатии. Атрофия зрительных нервов Лебера обусловлена мутациями в генах мтДНК, кодирующих субъединицы комплекса I. Наиболее частая мутация — замена Г на А в 11778-м нуклеотиде гена N04 (Арг340-»Гис). Кроме того, к атрофии Лебера дисков зрительных нервов ведут мутации в генах N01 и N06.

К этому же классу относится синдром Лея (подострая не-кротизирующая энцефаломиелопатия). Синдром Лея часто ассоциируется с недостаточностью цитохромоксидазы, а также с заменой Т на Г в 8933-м положении 6-й субъединицы АТФ-синтазы (Лей56-»Ар"г). Синдром Лея возникает только тогда, когда мутантная мтДНК составляет не менее 90 \% всей мтДНК. Если же процент мутантной ДНК оказывается ниже, то проявляется синдром нейропатии, атаксии и пигментного ретинита. Мутации, приводящие к синдрому Лея, выявлены также в флавопротеиновой единице сукцинатдегидрогеназно-го комплекса. Синдром Лея возникает также в случае мутаций в двух ядерных генах, и тогда он относится к классу II митохондриальных болезней.

Синдром нейропатии, атаксии и пигментной дистрофии сетчатки (NARP) может проявляться как в младенчестве, так и позже, вплоть до 2-го десятилетия жизни. Кроме патологии, вошедшей в название синдрома, у больных могут быть деменция, судороги, мотосенсорная нейропатия, тугоухость. Наиболее частой мутацией при синдроме NARP является замена Т-»С в положении 8993 гена АТФазы мтДНК.

Синдром миоклонус-эпилепсии и рваных красных мышечных волокон (MERRF), который проявляется эпилепсией, демен-цией, атаксией и миопатией, возникает в случае мутации в гене тРНК. Синдром может проявляться в детском и взрослом возрастах. Кроме указанных симптомов, при синдроме MERRF у больных иногда наблюдают нейросенсорную тугоухость, деменцию, атрофию зрительных нервов, спастическую диплегию. Обычно при этом синдроме выявляется выраженная гетероплазмия, поэтому экспрессивность синдрома резко варьирует.

Еще один синдром, обусловленный точковой заменой в гене тРНК, — это синдром митохондриальной энцефаломиопа-тии и инсультоподобных эпизодов (MELAS). При нем также наблюдается гетероплазмия и как ее следствие экспрессивность синдрома довольно сильно варьирует. Основные клинические проявления включают энцефаломиопатию, инсуль-топодобные состояния, обычно преходящие, с восстановлением функции, судороги, атаксию, миоклонус-эпилепсию, мигренеподобные головные боли.

К митохондриальным заболеваниям, обусловленным деле-циями или дупликациями, относятся синдром Кернса—Сайра (миопатия, мозжечковые нарушения и сердечная недостаточность), синдром Пирсона (панцитопения, молочно-кислый ацидоз и недостаточность поджелудочной железы), а также хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия, которая проявляется птозом. Область делеций мтДНК занимает протяженный участок мтДНК от начала репликации тяжелой цепи до начала репликации легкой цепи. Как правило, делеции маркированы короткими прямыми повторами нуклео-тидных последовательностей. Предполагают, что эти повторы и ложное спаривание нитей ДНК в процессе репликации служит причиной возникновения множественных делеций мтДНК.

Нарушением взаимодействия между ядерным и митохонд-риальным геномами объясняют синдром истощения мтДНК, а также синдром множественных делеций мтДНК. Оба эти состояния наследуются как аутосомно-доминантные признаки, поэтому причиной, вероятно, являются мутации ядерных генов.

Болезни дыхательной цепи митохондрий, обусловленные мутациями ядерных генов, можно объединить в две группы — митохондриальные миопатии и митохондриальные энце-фаломиопатии. Эти заболевания наследуются как менделев-ские признаки, но обусловлены недостаточностью ферментов, входящих в один из комплексов дыхательной цепи митохондрий.

В последние десятилетия достигнуты впечатляющие успехи в области молекулярной генетики человека, качественно видоизменившие подходы к изучению наследственных заболеваний, их диагностике и лечению. На сегодняшний день идентифицировано более 5000 структурных генов, ответственных за развитие наследственной патологии, в том числе свыше 300 генов наследственных болезней нервной системы (Горбунова В.Н. и др., 1997, 1999; Иллариошкин С.Н. и др., 2002; Мс Kusick, OMIM). Указанные открытия стали основой для внедрения в практику принципиально новых методов «молекулярной медицины».

Ярким примером прогресса в развитии нейрогенетики является история изучения болезни (атаксии) Фридрейха. Болезнь Фридрейха (БФ) - тяжелое нейродегенеративное аутосомно-рецессивное заболевание, представляет собой наиболее часто встречающуюся форму наследственных атаксий. Распространенность заболевания составляет 1 на 50000 населения, частота гетерозиготного носительства мутантного гена 1 на 90-120 человек.

В типичных случаях БФ развивается на первом-втором десятилетии жизни и проявляется сочетанием характерных неврологических и экстраневральных нарушений (Иванова-Смоленская И.А. и др., 1996, 1998; Geoffrey G. et al., 1976; Harding A., 1981, 1984). Наличие своеобразной комбинации симптомов и мультиорганность поражения при БФ дали основания предполагать, что это заболевание относится к группе митохондриальных болезней (DiMauro S. et al., 1993; Shoffher J. et al., 1995; Moraes C., 1996; Schapira A., 1997, 1999). Это подтвердилось лишь в 1996 году, когда был идентифицирован новый ген FRDA (индекс по каталогу OMIM - 229300), мутации в котором приводят к возникновению БФ (Campuzano V. et al., 1996). Было показано, что механизм мутации заключается в экспансии тринуклеотидных гуанин-аденин-аденин-повторов, локализованных в некодирующей области гена FRDA. В норме число копий тринуклеотидных повторов в гене FRDA варьирует от 7 до 36, тогда как у больных БФ оно составляет от 66 до 1700 и более (Campuzano V. et al., 1996; Durr A. et al., 1996; Filla A. et al., 1996). Ген FRDA кодирует белок, состоящий из 210 аминокислот и получивший название «фратаксин». В норме наиболее высокая экспрессия фратаксина характерна для мышцы сердца, спинного мозга, скелетной мускулатуры, поджелудочной железы и печени, тогда как у больных БФ уровень мРНК фратаксина в тканях значительно снижен (Campuzano V. et al., 1996; 1997). Это свидетельствует о нарушении экспрессии мутантного гена как центральном молекулярном механизме, лежащем в основе развития болезни. Было показано, что в клетке фратаксин локализуется в митохондриях (Campuzano V. et al., 1997). Результаты исследований последних лет свидетельствуют о ключевой роли фратаксина в регуляции митохондриального транспорта железа (Babcock М. et al., 1997; Koutnikova Н. et al., 1997). Нарушение функции фратаксина в результате мутаций в гене FRDA сопровождается повышением содержания железа в митохондриях, снижением резистентности к оксидантному стрессу и окислительным повреждением митохондрий, снижением синтеза АТФ и нарушением энергетического метаболизма клетки (Wilson R. et al., 1997; Delatycki M. et al., 1999; Lodi R. et al., 1999; Wong A. et al., 1999). Важное значение в патогенезе болезни придается также развивающейся недостаточности железо-серо-зависимых субъединиц ферментов дыхательной цепи митохондрий (Rotig A. et al., 1997).

Таким образом, с современных позиций БФ рассматривается как особая разновидность митохондриальной болезни, обусловленная повреждением ядерного гена (Rotig A. et al., 1997)

БФ - особая форма первичных митохондриальных цитопатий с выраженным клиническим, биохимическим и цитохимическим полиморфизмом. Это заболевание характеризуется наличием системной митохондриальной недостаточности, проявляющейся нарушениями механизма энергообразования, выраженным дисбалансом активности ряда ферментов тканевого дыхания, определенными изменениями в системе ПОЛ и нарушением структурно-функциональной организации митохондрий.

2. При БФ выявляются классические маркеры митохондриальной патологии (феномен RRF, ультраструктурные признаки дезорганизации структуры и функции митохондрий, системный лактат-ацидоз, нарушения в системе ПОЛ), имеющие определенное диагностическое и прогностическое значение.

3. У всех больных БФ имеется выраженный дефект и дисбаланс в процессе энергопродукции из доступных субстратов, проявляющийся нарушением активности ключевых митохондриальных ферментов (СДГ, ГФДГ, ГДГ, МДГ) и гликолитического фермента ЛДГ. Разнонаправленность выявленных цитохимических нарушений отражает различную тяжесть генетического дефекта и динамику адаптивных процессов в клетке в условиях системного дефекта функции митохондрий.

4. Пациентам с БФ необходимо назначение препаратов, повышающих активность дыхательной цепи митохондрий, кофакторов энзимных реакций энергообмена, антиоксидантов и др. Цитохимический метод определения ферментативного статуса лимфоцитов может быть использован для мониторинга течения заболевания и оценки эффективности проводимого лечения.

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 853 | Нарушение авторских прав