Відкрита корисна роль «шкідливих» активних форм кисню

Схема клітинного дихального ланцюга, вбудованого у внутрішню мембрану мітохондрії. I-V — ферментні комплекси дихального ланцюга, Q — убіхінон, C — цитохром С, ATP — АТФ. Ферментні комплекси I і III індукують вироблення АФК (ROS, reactive oxygen species — активні форми кисню). АФК має не тільки патологічні функції (оксидація ліпідів і білків, пошкодження мтДНК), а й регуляторні (передача сигналів зростання, активація роз’єднуючих білків, активізація реплікації мтДНК). Ріс. зі статті Baughman & Mootha в Nature Genetics

Активні форми кисню (АФК), такі як супероксид-аніон, вважаються дуже шкідливими, оскільки вони пошкоджують білки, ліпіди і ДНК, призводячи до старіння клітин. АФК утворюються як побічний продукт клітинного дихання, яке відбувається в мітохондріях. Однак нещодавно вчені з Іспанії виявили, що АФК всередині клітини виконують важливу компенсаторну сигнальну функцію: вони активують синтез мітохондріальної ДНК і регулюють таким чином дихальну активність клітини.

Мітохондрії — це органели, що мають свій власний геном і здійснюють клітинне дихання (окислювальне фосфорилювання), в процесі якого клітини запасають енергію в аденозин-трифосфорній кислоті (АТФ). Незважаючи на маленький розмір мітохондріального геному — всього близько 16 500 пар нуклеотидів, 37 генів, 13 з яких кодують суб’єдиниці білкових комплексів дихального ланцюга, — мутації в ньому асоційовані з такими важливими процесами, як старіння, комплексні хвороби людини (нейродегенеративні і м’язові), а також адаптація до холодних кліматичних умов.

Однак клітинні культури, що несуть різні мутації в мітохондріальній ДНК (мтДНК), не проявляють відхилень і характеризуються приблизно однаковим зі здоровими культурами рівнем клітинного дихання і росту, що ставить під сумнів зв’язок цих мутацій з хворобами на рівні цілого організму.

Щоб дозволити цей парадокс, іспанські біохіміки з Сарагоси і Мадрида, автори недавньої статті в журналі Nature genetics, вивчили активність дихання клітинних ліній, що володіють одним і тим же ядерним геномом, але різняться мітохондріальними геномами. Ці клітинні лінії були отримані шляхом утворення клітинних гібридів — злиттям без’ядерної клітини (але з мітохондріями) з безмітохондріальною (але з ядром).

Всього з клітин мишей було сконструйовано п’ять ліній: три з нормальною мтДНК — від мишей, які не мають будь-яких фенотипічних відхилень (1, 2, 3 — здорові), і дві лінії з мутантною мтДНК — від мишей, які характеризуються ослабленням слуху з віком або низькою здатністю до навчання (4, 5 — хворі). Відмінності між лініями полягали лише в декількох мутаціях в мтДНК, одна з яких була характерна саме для хворих ліній.

Іспанські вчені виміряли рівень клітинного дихання здорових і хворих клітин. З’ясувалося, що за відсутності глюкози, на живильному середовищі з галактозою, рівень клітинного дихання у клітин хворих ліній був нижчим, і вони росли повільніше, ніж здорові. На глюкозному живильному середовищі, де у хворих клітин була можливість компенсувати нестачу АТФ за рахунок гліколізу, відмінностей у швидкості зростання не спостерігалося.

При цьому виявилося, що в хворих клітинах підвищена концентрація активних форм кисню та їх важливого джерела — перекису водню (Н₂О₂). На цьому особливості хворих ліній 4 і 5 не закінчилися — з’ясувалося, що кількість мітохондріальної ДНК у них також помітно (на 60-90%) вище.

Отже, хворі лінії (I) гірше ростуть на галактозному середовищі (тобто у них знижена дихальна активність), (II) мають велику концентрацію активних форм кисню і (III) мають більше мітохондріальної ДНК на клітку. Автори припустили, що дихальна здатність на одну молекулу мтДНК у хворих клітинах нижча, ніж у здорових, проте підвищена концентрація АФК індукує реплікацію мтДНК, що збільшує в хворих клітинах кількість молекул мтДНК і частково компенсує проблеми з клітинним диханням, дозволяючи підтримувати його на відносно нормальному рівні.

Щоб перевірити цю гіпотезу, вчені додали в живильне середовище антиоксиданти, нейтралізуючі N₂O₂ і супероксид-аніон. Однотижнева інкубація з антиоксидантами на середовищі з глюкозою не вплинула на рівень споживання кисню лініями 1, 2 і 3, а ось дихальна здатність і кількість мітохондріальної ДНК біля ліній 4 і 5 значно знизилися. Мабуть, антиоксиданти елімінували в хворих лініях надлишок АФК, що спричинило за собою зниження кількості копій мтДНК і дихальної здатності всієї клітини.

Коли експеримент був повторений на галактозному середовищі, антиоксиданти призвели до зниження зростання всіх ліній — і хворих, і здорових, з чого автори зробили висновок, що АФК можуть брати участь у перемиканні метаболізму з глюкозного на галактозний.

І дійсно, виявилося, що у відповідь на зміну глюкозного середовища на галактозну в клітинах ліній 1, 2 і 3 спостерігався вибух у виробленні АФК — що в свою чергу призводило до збільшення кількості мітохондріальної ДНК і, відповідно, до підвищення рівня клітинного дихання. Таким чином, здоровим клітинам вдавалося швидко компенсувати нестачу АТФ, що виникав через припинення гліколізу. У клітинах ліній 4 і 5 вироблення АФК залишалося на колишньому рівні — мабуть, через те, що в них і так вже спостерігався надлишок активних форм кисню.

Таким чином, АФК відіграють ключову роль в одному з раніше невідомих внутрішньоклітинних компенсаторних механізмів. Коли вироблення АТФ в клітці стає недостатнім (в силу мутації або через перехід від глюкозного харчування до галактозного), збільшується вироблення активних форм кисню, які в свою чергу стимулюють збільшення числа копій мтДНК і, як наслідок, число ферментів дихального ланцюга.

Так що поряд із шкідливими функціями АФК (пошкодження білків, ліпідів і ДНК) нові дослідження все більше виявляють і їх корисні функції — такі як активація роз’єднуючих білків (uncoupling proteins), що регулює продукцію АТФ, і передача сигналів зростання через тирозин-кінази. Тепер виявлена ще одна роль АФК — компенсаторна регуляція активності клітинного дихального ланцюга через активацію реплікації мітохондріальної ДНК.

Правда, залишається відкритим питання про те, чи можна дану модель функціональної регуляції мітохондрій за участю АФК прикласти і до різних варіантів мтДНК людини. Якщо ця модель буде експериментально підтверджена для людини, то лікування мітохондріальних нейродегенеративних хвороб за допомогою антиоксидантів (див. у хвороби Паркінсона і старіння загальні причини, «Елементи», 14.06.2006), може виявитися марним або навіть шкідливим, оскільки буде нівелювати адаптивну компенсаторну роль АФК.

Джерела:

1) R. Moreno-Loshuertos et al. 2006 Differences in reactive oxygen species production explain the phenotypes associated with common mouse mitochondrial DNA variants // Nature genetics 38, 11, 1261-1268.

2) Joshua M. Baughman, Vamsi K. Mootha. 2006. Buffering mitochondrial DNA variation // Nature genetics 38, 11, 1232-1233.

Лейла Мамірова