Митохондриальная теория старения

Для того чтобы исследовать связь между мутациями митохондриальной ДНК, нарушением функционирования митохондрий и старением группой ученых под руководством Ларсена были созданы мыши, экспрессирующие дефектную форму одной из каталитических субъединиц митохондриальной ДНК-полимеразы: фермента, осуществляющего синтез ДНК. В результате такой мутации у этих мышей количество точечных мутаций в митохондриальной ДНК повысилось в три раза. Увеличилось и количество делеций. Оказалось, что у таких мышей значительно уменьшается продолжительность жизни а связанные со старением признаки (потеря веса, уменьшение количества подкожного жира, алопеция) появляются раньше. Таким образом, в результате экспериментов Ларсена было впервые показано, что существует связь между увеличением количества мутаций в митохондриальной ДНК и старением у млекопитающих.


Рис. 1. мыши с повышенной частотой мутаций в митохондриальной ДНК стареют быстрее (из Trifunovic et al.,2004)  a) мышь дикого типа (wt) в сравнении с мышами у которых повышена частота мутаций в мтДНК в возрасте 40-45 недель: у мутантных мышей наблюдается уменьшение веса тела, кифоз, алопеция в различной степени (соответствующие области обведены пунктирной линией)




Нильс Горан Ларсен:


Ученое звание:
MD, профессор
Место работы:
Каролинский институт (Karolinska Institutet), Швеция
Отрасль: медицинская генетика
Основная тема исследований: Основной темой исследований профессора Ларсена является изучение мутаций митохондриальной ДНК. Нарушение функционирования митохондрий - одна из причин заболеваний, связанных со старением, таких как диабет второго типа и болезнь Паркинсона. Кроме того эффективность функционирования митохондрий ухудшается с возрастом. Эффективность функционирования митохондрий полностью зависит от белков, кодируемых митохондриальной ДНК. Во время старения в ДНК митохондрий накапливаются различные точечные мутации и делеции.
Основные публикации по теме:
Редкие точечные мутации оказывают наибольший эффект на кодирующие белки гены и являются движущей силой определяющих преждевременное старение у мышей с мутациями в мтДНК
Random
point mutations with major effects on protein-coding genes are the
driving force behind premature aging in mtDNA mutator mice.
Edgar D, Shabalina I, Camara Y, Wredenberg A, Calvaruso MA, Nijtmans L, Nedergaard J, Cannon B, Larsson NG, Trifunovic A.Cell Metab. 2009 Aug;10(2):131-8.

Дисфункция митохондрий как причина старения
Mitochondrial dysfunction as a cause of ageing.
Trifunovic A, Larsson NG.J Intern Med. 2008 Feb;263(2):167-78.

Соматические мутации мтДНК вызывают старение без воздействия на продукцию активных форм кислорода
Somatic mtDNA mutations cause aging phenotypes without affecting reactive oxygen species production.
Trifunovic A, Hansson A, Wredenberg A, Rovio AT, Dufour E, Khvorostov I, Spelbrink JN, Wibom R, Jacobs HT, Larsson NG.Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Dec 13;102(50):17993-8. Epub 2005 Dec 6.
Контакты:
nils-goran.larsson@mednut.ki.se

Поддержание целостности эпителия кишечника существенно для нормального существования живых существ в течение всей жизни. Несмотря на то, что стволовые клетки кишечника могут делиться неограниченное число раз, в течение времени в них накапливаются важные функциональные нарушения. Какова роль соматических мутаций митохондриальной ДНК при этих нарушениях? Могут ли происходить мутации митохондриальной ДНК в стволовых клетках? Могут ли эти мутации оказывать влияние на деятельность стволовой клетки на биохимическом уровне? Этим вопросом задались исследователи под руководством Т. Кирквуда. Для исследования наличия мутаций митохондриальной ДНК в стволовых клетках был выбран такой объект как стволовые клетки кишечника. Оказалось, что эти стволовые клетки накапливают большое количество мутаций мтДНК и что эти мутации приводят к важным биохимическим дефектам.
Интересно то, что в стволовых клетках, дефектных по цитохром с оксидазе спектр мутаций значительно отличается от такового у больных с заболеваниями вызванными мутациями в мтДНК.

Томас Кирквуд:

Ученое звание:
PhD
Место работы:
Институт старения и здоровья (Institute for ageing and health), Великобритания
Отрасль: теория эволюции, генетика
Основная тема исследований: основной темой исследований Кирквуда является связь между эволюцией и старением.
Основные публикации:
Мутации в мтДНК стволовых клеток кишечника человека
Mitochondrial DNA mutations in human colonic crypt stem sells
Taylor W., Barron M., Borthwick G., Gospel A., Chinnery P., Samuels D., Taylor G., Plusa S., Needham S., Greaves L., Kirkwood T., Turnbull D. J Klin Invest. 2003 November 1; 112(9):1351-1360
Митохондрии и старение: победа и поражение в игре чисел
Mitochondria and ageing: winning and losing in the numbers game
Passos J., von Zglinicki T., Kirkwood T.B Bioassays 2007 Sep; 29(9):908-17
Контакты:
tom.kirkwood@ncl.ac.uk

Кардиомиоциты, клетки мышечных волокон и другие долго живущие постмитотические клетки сильно изменяются с течением времени. Эти возрастные изменения затрагивают и
митохондрии которые помимо роли «клеточных энергостанций» являются основным
местом образования активных форм кислорода, повреждающего мтДНК и белки. В
стареющих клетках накапливаются поврежденные митохондрии. Более того,
существуют стратегии экспансии поврежденных митохондрий, а кроме того у
поврежденных митохондрий уменьшается способность подвергаться аутофагоцитозу.
Помимо дефектных митохондрий клетки накапливают пигмент липофусцин. Для того
чтобы изучить роль окислительного стресса, повреждения митохондрий и генезиса
липофусцина в постмитотическом старении исследователи занялись изучением
соотношения между этими параметрами в культуре кардиомиоцитов крыс. Было
показано, что содержание липофусцина повышено в клетках, где находится
наибольшее количество поврежденных митохондрий.
В старых клетках увеличивается количество «гигантских» митохондрий, что
вероятно связано с повышенным количеством мутаций в митохондриальной ДНК. Из-за
этого процесс слияния митохондрий нарушается. Что вызывает такое накопление
старых митохондрий в клетках? С одной стороны – затухание в них аутофагии.
Однако с другой стороны ингибирование аутофагии индуцирует лишь умеренное
увеличение образования больших стареющих митохондрий, однако резко увеличивает
количество маленьких, часто нормальных митохондрий увеличивая их оборот. Таким
образом именно оборот митохондрий а не только аутофагия влияет на увеличение
количества дефектных митохондрий в клетке. Исследования Брунка подчеркивают
важность оборота митохондрий в постмитотическом старении.
Ульф Брунк:

Ученое звание: PhD, профессор
Место работы: Университет Линкопинга (university of Linkoping),  Швеция
Отрасль:
Основная тема исследований: основной темой исследований Брунка является аутофагия и накопление липофусцина во время старения.
Основные публикации по теме:
Оборот митохондрий и старение долгоживущих постмитотических клеток: митохондриально-лизосомальная теория старения
Mitochondrial turnover and aging of long-living postmitotic cells: the mitochondrial-lysosomal axos theory of aging
Terman A., Kurz T., Navratil M., Arriaga E.A., Brunk U.T. Antioxid Redox Signal [Epub ahead of print]
Роль лизосом в миокардиальном старении и болезнях
The involment of lysosomes in myocardial aging and disease
Terman A., Kurz T., Gustaffson B., Brunk U. Curr Cardiol Rev. 2008 May; 4(2): 107-15
Контакты:

ulf.brunk@imv.liu.se

Изменения, происходящие у старых животных с митохондриями, включают существенное уменьшение мембранного потенциала (разницы зарядов на внутренней и внешней сторонах внутренней мембраны митохондрий, за счет которой производится работа по синтезу АТФ - универсальной энергетической валюты клетки). Так например у старых крыс мембранный потенциал уменьшается на 40% в сравнении с мембранным потенциалом у молодых животных. В мембране митохондрий уменьшается уровень кардиолипина - важного фосфолипида, который является кофактором для ряда важных митохондриальных транспортных белков, уменьшается количество коэнзима Q10 и карнитина который важен для бета-окисления жирных кислот. Как бороться с возрастными изменениями митохондрий? В лаборатории возглавляемой Эймсом было показано, что ацетил-карнитин улучшает состояние старых животных непосредственно влияя на митохондрии. Так ацетил-карнитин восстанавливает у старых мышей мембранный потенциал до такого же уровня как у молодых животных, облегчает транспорт жирных кислот в митохондрии и увеличивает интенсивность клеточного дыхания.
Другим веществом, влияние которого на состояние митохондрий исследовалось, была альфа-липоевая кислота. Так же как и карнитин она увеличивала мембранный потенциал старых крыс и устраняла часть повреждений, связанных с возрастными изменениями организма у старых животных. И кроме того при получении подопытными животными альфа-липоевой кислоты у подопытных животных увеличивалось в митохондриях количество глутатиона и витамина С. А эти вещества являются естественными антиоксидантами, так что увеличение их количества уменьшает вред, наносимый генерацией активных форм кислорода.
Изоформа альфа-липоевой кислоты: R-альфа-липоевая кислота - оказывала еще более положительное воздействие на состояние митохондрий. Она была эффективней обычной альфа-липоевой кислоты в десять раз. Таким образом R-альфа-липоевая кислота может быть простым и эффективным путем для улучшение общей метаболической активности и борьбы с повреждениями, наносимыми активными формами кислорода.

Рис.2 (по Long et al.,2008) активность I, II, III и IV комплексов дыхательной цепи митохондрий у крыс: на рисунке белым показана активность соответствующих комплексов у молодых крыс, черным - у старых и заштрихованные столбцы обозначают активность соответствующих комлпексов дыхательной цепи митохондрий у старых крыс, получавших альфа-липоевую кислоту с пищей.





Брюс Эймс:

Ученое звание: PhD, профессор
Место работы: Калифорнийский университет, Беркли (University of California) США
Отрасль: молекулярная биология
Основная тема исследований:
Среди исследований, которые проводятся в лаборатории – исследования различных аспектов митохондриального метаболизма. При старении митохондрии разрушаются благодаря окислению РНК, ДНК, белков и липидов. В лаборатории Эймса было показано, что при кормлении старых крыс нормальными метаболитами митохондрий, такими как ацетил карнитин и липоевая кислота, приводит к уменьшению скорости распада митохондрий а также улучшает функционирование старых митохондрий. Особенный интерес в лаборатории уделяется пониманию механизма действия двух метаболитов: ацетилкарнитина и липоевой кислоты. В митохондриях липоевая кислота окисляется до
потенциального антиоксиданта: дигидролипоевой кислоты. Липоевая кислота кроме
того является эффективным индуктором белков второй фазы защиты от активных форм
кислорода.    
Основные публикации по теме:
Ухудшение состояния митохондрий в мозгу старых крыс: амелиорирующий эффект альфа-липоевой кислоты и ацетил-L-карнитина.
Mitochondrial decay in the brains of old rats: ameliorating effect of alpha-lipoic acid and acetyl-carnitine
Long J.,Tong L., Cotman C., Ames B., Liu J. Neurochem Res 2009 Apr; 34(4)755-63
Задержка возрастного распада митохондрий
Delaying the mitochondrial decay of aging
Ames B. Ann NY Acad Sci. 2004 Jun; 1019:406-11
Уменьшение возрастного распада митохондрий с помощью ацетилкарнитина
Delaying the mitochondrial decay of aging with acetylcarnitine
Ames B.,Liu J. Ann NY Acad Sci. 2004 Nov; 1033:108-16
Контакты:
(510) 450-7625
bames@chori.org

Мутации митохондриальной ДНК являются причиной ряда человеческих заболеваний. На данный момент не существует их эффективного лечения. Большим потенциалом для лечения таких болезней обладает метод, основанный на перенесении нормальной копии мутировавшего гена в ядро. При этом белок, который будет кодироваться в ядре должен будет транспортироваться в митохондрии. У зеленых водорослей Chlamydomonas и Polytomella sp. некоторые гены кодирующие белковые субъединицы дыхательной цепи кодируются ядром, а не мтДНК. Структура этих белков отличается от структуры их гомологов из митохондрий: гидрофобность кодируемых ядром белков уменьшена в тех участках, которые не отвечают за взаимодействие между субъединицами белковых комплексов в митохондриях. Кроме того у этих белков необычно большие сигнальные последовательности, помогающие их транспорту в митохондрии. Информация, полученная из этих исследований может впоследствии быть применена для разработки генетической терапии человеческих заболеваний, причиной которых являются мутации в кодируемых мтДНК полипептидах.

Майкл Кинг:

Ученое звание: PhD
Место работы: Университет Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson University), США
Отрасль: биохимия, молекулярная генетика, молекулярная биология
Основная тема исследований: среди основных тем исследования лаборатории, возглавляемой Джефферсоном - исследования биогенеза митохондрий а также последствия мутаций митохондриальной ДНК для здоровья человека. Кроме того исследуется возможность создания методов генетической терапии заболеваний, вызванных мутациями в митохондриальной ДНК.
Основные публикации по теме:
Репопуляция клеток, лишенных митохондриальной ДНК экзогенными митохондриями
Human cells lacking mtDNA: repopulation with exogeneous mitochondria by complementation
King MP., Attardi G. Science 1989 Oct 27; 246(4929):500-3
Генетическая коррекция митохондриальных заболеваний: использование естественной миграции митохондриальных генов в ядро водорослей как модельная система
Genetic
correction of mitochondrial diseases: using the natural migration of
mitochondrial genes to the nucleus in chlorophyte algae as a model
system.
González-Halphen D, Funes S, Pérez-Martínez X, Reyes-Prieto A, Claros MG, Davidson E, King MP.Ann N Y Acad Sci. 2004 Jun;1019:232-9.
Необычное расположение митохондриального гена. Субъединица цитохром С оксидазы кодируется в ядре хламидомонад
Unusual location of a mitochondrial gene. Subunit III of cytochrome C oxidase is encoded in the nucleus of Chlamydomonad algae.
Pérez-Martínez X, Vazquez-Acevedo M, Tolkunova E, Funes S, Claros MG, Davidson E, King MP, González-Halphen D.J Biol Chem. 2000 Sep 29;275(39):30144-52.
Контакты:
(215)503-4845
Michael.King@jefferson.edu

Обычно принято считать, что мутации в мтДНК возникают в тех клетках, в которых эти мутации и нашли: то есть в данный момент. Однако показано, что клетки, несущие определенную мутацию в мтДНК склонны объединяться в кластеры. Клетки в этих кластерах являются как правило потомками одной клетки. Таким образом мутации в мтДНК возникают не в них, а в клетках-предшественниках, например в стволовых клетках или даже раньше в процессе развития. Мутации мтДНК в клетках-предшественниках могут быть одним из основных источников мутаций мтДНК в здоровой стареющей ткани. Таким образом источником мутаций в мтДНК могут быть не старые клетки, а клетки предшественники.

Константин Храпко:


Ученое звание: PhD
Место работы: медицинский центр Бес Израэль (beth israel medical center) США
Отрасль: биохимия
Основные темы исследований:
В лаборатории возглавляемой К. Храпко особый интерес уделяется исследованию роли соматических мутаций мтДНК в человеческом старении. При этом исследуется количество мутаций мтДНК в отдельных клетках. С использованием такого подхода - определение количества мутаций мтДНК в отдельной клетке - было обнаружено что уровень делеций мтДНК в пигментированных нейронах стареющей substantia nigra у человека очень высок. Среди других направлений разрабатываемых в лаборатории: исследование рекомбинации мтДНК и исследование мтДНк с помощью метода микрочипов.
Публикации по теме:
Мутации в мтДНК и старение: дьявол в деталях?
Mitochondrial DNA mutations and aging: devils in the details?
Khrapko K.,Vijg J.Trends Genet 2009 Feb; 25(2):91-8
Сложность старения: равноценны ли некоторые процессы старения?
The complexity of aging: are some aging processes more equal than others?
Khrapko K. Mech Ageing Dev.2007 Aug; 128(7-8):456-9
Контакты:
khrapko@hms.harvard.edu

Результатом нарушения функционирования комплекса I являются многие
человеческие заболевания в том числе болезнь паркинсона, дистония, различные
энцефаромиопатии, наследственная оптическая нейропатия лебера и, вероятно,
болезнь Хатчинсона. Среди всех проблем, вызываемых нарушением работы первого
комплекса наибольшим значением обладают три:
- нарушение способности дыхательной цепи окислять NADH до
NAD
- нарушение способности комплекса I перекачивать
протоны с одной стороны на другую результатом чего является уменьшение
количества синтезированного АТФ
- увеличение образования активных форм кислорода. Основной
задачей ученых под руководством Яги является обнаружение средства, которое
помогло бы бороться с болезнями, вызыванными нарушениями в работе комплекса I.

Рис 3. В дыхательной цепи митохондрий мутантных дрожжей отсутствует I комплекс дыхательной цепи. Однако его функции может выполнять Ndi1. Может ли экспрессия функционально активного NDI1 улучшить дыхательный процесс в клетках млекопитающих с дефектами 1-го комплекса дыхательной цепи митохондрий?
Среди всех трех проблем нарушение способности окислять NADH и появление способности генерировать активные формы кислорода наиболее опасно. Дрожжи с дефектным комплексом I содержат вместо комплекса I одну субъединицу Ndi1. Дефектные по комплексу I клетки китайского хомячка могут экспрессировать белок Ndi1. Исследователи решили использовать эти клетки для того, чтобы проверить: может ли  Ndi1 переносить электроны от NADH на убихинон-10 в митохондриях млекопитающих, лишенных функционирующего комплекса 1.
Трансфецированные соответствующим вектором клетки китайского хомячка могут экспрессировать NDI1. Экспрессировавшийся Ndi1 локализовался в митохондриях и был функционально активен. В трансфецированных клетках в отличие от контрольных нормально происходил перенос электрона и малат с глутаматом были субстратами при дыхании.
Такао Яги:

Место работы:
исследовательский институт Скриппса (The scripps research institute)
Отрасль: молекулярная медицина
Основная тема исследований: Среди основных тем исследований лаборатории возглавляемой Такао Яги: исследование структуры и функций НАДН-хинон оксидоредуктазы и - молекулярное исправление дефектов 1-го комплекса дыхательной цепи митохондрий.
Публикации по теме:
Болезнь Паркинсона и митохондриальный комплекс I: перспективы терапии с помощью Ndi1
Parkinson's disease and mitochondrial complex I: a perspective on the Ndi1 therapy.
Marella M.,Seo B.,Yagi T.,Matsuno-Yagi A.
J Bioenerg Biomembr. 2009 Dec;41(6):493-7
Может ли единственная субъединица NADH дегидрогеназы дрожжей (Ndi1) использоваться для терапии заболеваний связанных с дефектами дыхательного комплекса I?
Can a single subunit yeast NADH dehydrogenase (Ndi1) remedy diseases caused by respiratory complex I defects?
Yagi T.,Seo B., Nakamaru-Ogiso E.,Marella M.,Barber-Singh J.,Yamashita T., Kao M.C.,Matsuno-Yagi A.
Rejuvenation res. 2006 summer; 9(2):191-7
NADH-дегидрогеназы: от основных исследований до биомедицины
NADH dehydrogenases: from basic science to biomedicine
Yagi T., Seo B.,Di Bernardo S., Nakamaru-Ogiso E., Kao M., Matsuno-Yagi A.
J Bioenerg Biomembr. 2001 Jun; 33(3): 233-42
Контакты:
yagi@scripps.edu
Примечания:
Сайт лаборатории