Visits:
МИТОХОНДРИИ



Структура, функции, болезни

Mitochondrial diseases: the contribution of organelle stress responses to pathology
• Anu Suomalainen • & Brendan J. Battersby
Nature Reviews Molecular Cell Biology volume19, pages77-92 (2018)

  • Defects of mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance and mitochondrial translation (mtDNA gene expression defects) are the most common causes of mitochondrial disease, which was revealed by next-generation genetic tools. These disorders can be caused by mutations in nuclear or mtDNA genes.
  • The diversity of clinical manifestations of mtDNA gene expression diseases, which affect numerous tissues and can have a variable age of onset, cannot be explained only by a deficiency of mitochondrial ATP synthesis. Recent evidence indicates that various mitochondrial defects elicit specific stress responses, which affect both catabolic and anabolic metabolism at the organelle, cell and tissue level, and even signalling to the whole organism.
  • Different types of mitochondrial stress require specialized local and whole-cell quality control mechanisms to rectify the stress and the potential insult that could result from that stress. Deregulation of these quality control mechanisms can also contribute to disease.
  • Activating transcription factors (ATFs) are highly conserved regulators of mitochondrial stress responses and have been implicated in the remodelling of cellular as well as whole-body metabolism during mitochondrial dysfunction.
  • Evidence from mouse models of mitochondrial diseases indicates that targeting metabolism may offer promising therapies for treating patients with mitochondrial disorders.


    • Митохондриальные болезни являются наиболее распространенными типами врожденных метаболических нарушений, которые чрезвычайно изменчивы в своем клиническом проявлении м могут возникать в любом органе и в любом возрасте1-3 (Fig. 1). Всё ещё не существует эффективного лечения4,5.

    Figure 1: The variability of mitochondrial disease manifestations.

    Mitochondrial diseases can manifest both in children and in adults, and can present in various organs, including in multiple organs that may have no apparent functional links to each other, such as the brain and liver, or pancreatic ?-cells and the auditory system. Sometimes manifestations only affect one tissue, such as the heart or the optic nerve. Children may recover from one phenotype and later develop another - for example, in Pearson syndrome, the primary manifestation is exocrine pancreatic dysfunction and megaloblastic anaemia, and the survivors may later develop brain disease. Typically, these disorders are progressive.

    Достижения подходов секвенирования следующего поколения выявили существенную генетическую гетерогенность группы митохондриальных болезней. Более 1300 генов кодируется в ядре, которые в цитозоле целенаправленно воздействуют на митохондрии6. Митохондрии также содержат небольшой циркулярный мультикопийный геном (mitochondrial DNA (mtDNA)) который наследуется от матери и содержит только 37 генов. Мутации в любом из этих ядерных или митохондриальных генов могут приводить к дисфункции митохондрий с помощью разных способов трансмиссии: спорадически, матерински, аутосомно рецессивно, аутосомно доминантно или X-сцеплено3. Более того, мутации могут возникать de novo во время эмбриогенеза и могут т.о. присутствовать во всех клетках эмбриона или могут возникать только в специфических тканях. Т.о., митохондриальные болезни могут наследоваться любым способом.
    Генетические мутации, которые нарушают экспрессию митохондриальных генов (репликацию и транскрипцию mtDNA и трансляцию мРНК в митохондриях) , по-видимому, являются наиболее распространенной причиной митохондриальных болезней3,7,8. Дефекты во всех этих процессах приводят к неспособности к сборке комплексов энзимов дыхательной цепи и АТФ, которые участвуют в митохондриальном оксидативном фосфорилировании. Эти энзимы собираются в складках митохондриальной внутренней мембраны, наз. гребешками, и используют происходящие из питательных веществ reducing эквиваленты, чтобы генерировать электрохимический потенциал на внутренней мембране, который важен для функционирования органелл2 (Box 1).

    Box 1: Oxidative phosphorylation and respiratory chain deficiency The oxidation steps of the tricarboxylic acid cycle break down nutrients to reduce NAD+ and FAD to NADH and FADH2, respectively. These carriers donate the electrons to the respiratory chain complexes, complex I (NADH) and complex II (FADH2), and thereafter to ubiquinone (Q). The electrons are transferred from one respiratory chain complex to another by a series of reducing-oxidizing reactions, which drives the pumping of protons (H+) by respiratory chain complexes I, III and IV to the intermembrane space and generates an electrochemical gradient across the mitochondrial inner membrane (see the figure). Complex IV donates the electrons to oxygen, which is the terminal electron acceptor, and is consequently reduced to water. The proton motive force (straight arrow across the inner mitochondrial membrane) is used by the ATP synthase (also known as complex V) to phosphorylate ADP to produce ATP (transferring inorganic phosphate (Pi) to ADP). ATP transport out of the mitochondria is carried out by ADP-ATP translocase 1 (ANT1; also known as SLC25A4). The respiratory chain and ATP synthase consist of a total of 89 different protein subunits, of which 76 are encoded by nuclear genes and 13 are encoded by mitochondrial DNA (mtDNA) (red circles in the figure denote the number of mtDNA-encoded subunits in individual complexes; complex II is entirely nucleus encoded). In addition, tens of nucleus-encoded assembly factors are required to assemble these multisubunit complexes. Deficiencies in the respiratory chain or oxidative phosphorylation can be caused by defects in the quality or quantity (deletions and/or depletion) of mtDNA, by mtDNA expression defects (tRNA mutations, mtRNA transcription or processing defects and disruption of the translation apparatus), by mutations in structural subunits, the complex assembly factors or factors involved in import of nuclear-encoded subunits, or by a failure of the quality control in the correct assembly of the complex. Red arrows indicate the transfer of electrons between respiratory chain complexes. C, cytochrome c; I-V, respiratory chain complexes I-V; Q, ubiquinone.



    Несмотря на тот факт, что дефекты оксидативного фосфорилирования обычно являются результатом генетических мутаций, которые нарушают функцию митохондрий, клинические проявления митохондриальных нарушений обнаруживают существенную вариабельность (Fig. 1). Такая плейотропия д. указывать на то, что дефицит продукции митохондриями АТФ сам по себе не может объяснить клинические пределы и тканевую специфичность этих нарушений. Дальнейшее подтверждение этой идеи при изучении тяжелых нарушений врожденной дыхательной цепи, которые обычно не нарушают плодного развития, а вместо этого проявляются как быстро прогрессирующие болезни вскоре после рождения, которые характеризуются недостаточностью органов и лактоцидозом (lactic acidosis) с фатальным исходом1. Однако, в некоторых случаях дети могут выживать во время ранней критической фазы и восстанавливаются9,10, или у них может развиваться др. прогрессирующее нарушение в более поздний период жизни11. Даже когда потребность в окислительном фосфорилировании высока сразу после рождения, чувствительность разных органов к дисфункциии респираторной цепи, по-видимому, зависит от возраста, влияющего на начало и проявления болезни. Эти аспекты показывают: Во-первых, гликолитическая не-оксидативная продукция АТФ превалирует во время нормального роста плода; Во-вторых, оксидативное фосфорилирование важно непосредственно после рождения для постнатального поддержания тканей; и, В-третьих, специфические органы обладают зависимой от возраста чувствительностью к специфическим дисфункциям митохондрий.
    Митохондрии реагируют на внешне-средовые стимулы такие как пищевые добавки и упражнения, чтобы способствовать оксидативному сгоранию питательных веществ или подпитке клеточных биосинтетических реакций, генерации 'ретроградных сигналов', включая метаболиты, ко-факторы, питательные вещества, gasotransmitters м общий redox баланс этих органелл. Эти ретроградные сигналы делают возможной модуляцию клеточного метаболизма в ответ на средовые сигналы и т.о., обладают способностью сильно влиять на клеточную функцию и поведение. Напр., reactive oxygen species (ROS) могут модифицировать клеточные судьбы12,13. Реакции, митохондрий далее могут быть дифференциально модулированы в зависимости от типа клеток, периода развития, возраста и ежедневных циклов питания и голодания14. Согласно последним данным эти разные сигналы модифицируются с помощью дисфункции митохондрий и могут вносить вклад в клинический диапазон или прогрессирование болезней человека2,15,16.


    mtDNA maintenance and translation


    Аппарат, который необходим для поддержания генома митохондрий полностью кодируется в ядре и, по-видимому, происходит от бактериофагов. Напротив, белковый синтез внутри митохондриального компартмента происходит на уникальных рибосомах с помощью механизма, который является общим с родоначальным у Alphaproteobacteria17,18. Здесь мы суммируем ключевые компоненты и процессы, необходимые правильной экспрессии генома митохондрий (Fig. 2). См. также19,20.

    Figure 2: Mechanisms of mtDNA replication and translation highlighting factors implicated in human disease.

    a | The mitochondrial DNA (mtDNA) replisome includes DNA polymerase-γ (POLG), which comprises a catalytic α-subunit and a processive β-subunit, as well as the replicative helicase Twinkle and mitochondrial single-stranded DNA-binding protein (SSBP1). Mitochondrial transcription factor A (TFAM) has a histone-like function and contributes to mtDNA organization, whereas the mitochondrial DNA topoisomerase I (TOP1mt) cleaves and rejoins one strand of the DNA duplex to prevent over- and underwinding of the DNA strands during mtDNA processing. Replication also requires nucleotide pools, which are regulated separately in the mitochondria and the cytoplasm, although the pools influence each other. b | The steps of protein synthesis on mitochondrial ribosomes. The initiator methionine is formylated (fMet) by mitochondrial methionyl-tRNA formyltransferase (MTFMT). The recognition of codons is mediated by a ternary complex of the amino acid-charged tRNA, mitochondrial elongation factor Tu (EF-Tu) and GTP; the hydrolysis of GTP releases the tRNA, which can then bind to the ribosome. The ribosome then catalyses the formation of the peptide bond. The energy released from the hydrolysis of GTP that is bound to the mitochondrial elongation factor G (GFM1) allows the translocation of the ribosome to the new codon; GUF1 is proposed to be involved in a one-codon back-translocation event at improperly translocated ribosomes. Recycling of EF-Tu is regulated by mitochondrial elongation factor Ts (EF-Ts). The growing polypeptide is translocated by inner mitochondrial membrane proteins. Mitochondrial translation terminates at the standard UAA and UAG stop codons, which are recognized by the mitochondrial peptide chain release factor 1-like (MTRF1L)125-127. Finally, hydrolysis of GTP that is bound to mitochondrial ribosome-releasing factor 2 (RRF2mt) catalyses ribosomal disassembly and polypeptide release. ANT1, adenine nucleotide translocator 1; DGUOK, deguanosylkinase, mitochondrial; DNA2, DNA replication ATP-dependent helicase 2; MARS2, mitochondrial methionine-tRNA ligase 2; MGME1, mitochondrial genome maintenance exonuclease 1; MPV17, mitochondrial inner membrane protein 17; RNASEH1, ribonuclease H1; RRM2B, ribonucleotide-diphosphate reductase subunit M2B; TK2, thymidine kinase 2; TYMP, thymidine phosphorylase. See also Fig. 3 and Table 1.

    mtDNA maintenance machinery. Минимальная реплисома mtDNA состоит из DNA polymerase-γ (POLG; гетеродимер из каталитической α-субъединицы и дополнительной β-субъединицы), репликативной helicase Twinkle и белка, связывающего митохондриальную однонитчатую ДНК,21-23 (Fig. 2a). Для поддержания mtDNA также необходимы и др. факторы, включая митохондриальную РНК polymerase (которая вызывает репликацию праймеров24), митохондриальный транскрипционный фактор A (TFAM)25 различные энзимы для процессинга mtDNA (see Fig. 3 для генов, связанных с болезнью и ассоциированных процессов, которые связаны с поддержанием или экспрессией mtDNA; Table 1 и Supplementary information S1 (table) включая информацию по болезням и фенотипами, ассоциированными с болезнью). POLG реплицирует mtDNA с высокой точностью по сравнению с др. полимеразами, а инактивация редакторской функции экзонуклеаз у мышей приводит к сильному увеличению мутагенеза mtDNA и к прогерическому синдрому: поседение волос, анемия, потеря подкожного жира, остеопороз и общая атрофия органов26,27. Исходя из экстенсивного мутагенеза mtDNA эти мыши были названы 'mtDNA mutator' мыши.

    Figure 3: Genes that encode components of the mtDNA maintenance and expression machineries and that are associated with human mitochondrial disorders.

    See also Table 1 for details of disease genes and their associated phenotypes. Mutations in mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance proteins (that is, enzymes that are involved in mtDNA replication and repair, or nucleotide synthesis) cause either mtDNA depletion (which is associated with severe disorders that typically manifest in childhood) or multiple mtDNA deletions that accumulate in postmitotic tissues (which is characteristic of progressive neurological diseases). The deletions are assumed to lead to an imbalance of functional tRNAs, which disrupts mitochondrial translation and leads to decreased production of mtDNA-encoded proteins. Defects in mitochondrial tRNAs or in factors that affect the processing of the polycistronic mtDNA transcript to the individual tRNAs or mRNAs, RNA stability or modifying RNA species, impair translation efficiency and cause a decrease in the expression of mtDNA-encoded proteins. Dysfunction in the assembly of the mitochondrial ribosome, which comprises mitoribosomal proteins (MRPs) of the large (MRPL) or small (MRPS) subunits (all are nucleus encoded), as well as 12S and 16S ribosomal RNAs (rRNAs) (mtDNA encoded), or in factors that mediate polypeptide biosynthesis during translation, leads to inefficient translation of mtDNA-encoded proteins. Other defects in translation, such as the incorporation of aberrant amino acids, lead to unfinished and/or aberrant (for example, misfolded) protein products. These aberrant proteins may cause membrane stress, which can be resolved by quality control proteases (members of the ATPases associated with diverse cellular activities (AAA)-protease family, paraplegin (encoded by SPG7) and AFG3-like protein 2 (AFG3L2)); defects in these proteases affect the nervous system in particular. In all these cases, efficient generation of mitochondrial subunits of the respiratory chain complexes (I-IV) is perturbed, which leads to defects in mitochondrial function that manifest most notably as a decrease in oxidative production of ATP. The asterisks denote proteins that are localized in both the mitochondria and the cytoplasm. Please see Supplementary information S2 (box) for abbreviations used in Fig. 3.

    Table 1: Nuclear genes that cause disorders of mitochondrial DNA maintenance or expression

    Точные механизмы, которые ограничивают число копий mtDNA в разных тканях, всё ещё неясны. Twinkle helicase позволяет реплицироваться mtDNA и поэтому её уровни коррелируют с количеством копий mtDNA28. TFAM увеличивает период полу-жизни mtDNA путем увеличения её компактности25,29,30 и тем самым также участвует в контроле числа копий mtDNA. Помимо этих белков, mtDNA нуждается в нуклеотидах для репликации, а их дефицит мешает поддержанию mtDNA. Пул митохондриальных нуклеотидов тесно связан с метаболизмом цитозольных нуклеотидов, а в неделящихся тканях, пул клеточных нуклеотидов в основном служит для репликации mtDNA31. Как следствие, количественные изменения или дисбаланс в пулах клеточных нуклеотидов нарушают репликацию mtDNA и приводят в результате к истощению или устранению mtDNA и к активации метаболических стрессовых реакций (see below). Также аналоги нуклеотидов, которые используются в качестве лекарства для воздействия на ретровирусы, могут блокировать репликацию mtDNA путем соединения с POLG, приводя к обратимому истощению mtDNA32. Такая чувствительность преимущественно является следствием общего эволюционного происхождения митохондриальной и ретровирусной репликативных систем.
    The major defects of mtDNA maintenance. Дефекты репликации митохондриального генома приводят к количественному снижению численности mtDNA (истощению) или к геномной нестабильности, которая приводит к продукции молекул mtDNA с крупномасштабными делециями. Они могут возникать из генетических мутаций в основе аппарата репликации mtDNA (POLG и Twinkle) или в результате дефектов синтаза нуклеотидов, что приводит к дисбалансу пулов нуклеотидов33 (Figs 2,3; Table 1). Обычно истощение mtDNA ассоциирует с тяжелыми, начинающимися в детстве, ткане-специфическими проявлениями. Напр., мутации в митохондриальной thymidine kinase 2 (TK2) - энзиме, критическом для пути утилизации митохондриального pyrimidine , и который фосфорилирует thymidine, deoxycytidine и deoxyuridine - вызывая быстро прогрессирующую мышечную слабость и дегенерацию у детей, тогда как эффекты мутаций, которые затрагивают др. энзимы метаболизма нуклеотидов, такие как митохондриальная deoxyguanosine kinase (DGUOK), сначала проявляется в головном мозге и печени 33-36. У взрослых функциональные нарушения аппарата репликации mtDNA проявляются в виде прогрессирующей нейродегенерации (атаксия, паркинсонизм и сенсорные полинейропатии) или чисто мышечные болезни со слегка прогрессирующим накоплением множественных делеций mtDNA в мышцах, сердце и головном мозге33,37,38. Нестабильность mtDNA может также возникать как вторичное следствие мутаций, таких как в энзимах, которые участвуют в слиянии митохондрий. Напр., мутации в dynamin-related митохондриальной GTPase optic atrophy protein 1 (OPA1), который является центральным регулятором динамики и ультраструктуры митохондриальной внутренней мембраны, приводя в результате к множественным делециям mtDNA и проявлению атрофии зрительного нерва и нейро-дегенеративной болезни. Эти находки связаны с динамикой от морфологии митохондриальной внутренней мембраны до поддержания mtDNA39-41 и могут быть связаны с купированием репликации mtDNA с делениями митохондрий42.
    Mitochondrial protein synthesis. Митохондрии содержат свой собственный уникальный аппарат белкового синтеза, который предназначен для синтеза только 13 гидрофобных белков, которые кодируются mtDNA (Fig. 2b). Процесс трансляции обнаруживает множество сходства с таковой у бактерий, при этом имеются некоторые важные отличия: Во-первых, митохондриальные рибосомы млекопитающих богаты белком и включают mt-tRNAVal или mt-tRNAPhe в крупную субъединицу43; Во-вторых, митохондриальные мРНК не содержат 5' не-транслируемый регион, cap или Shine-Dalgarno последовательность, указывающие на то, что инициация трансляции осуществляется уникальным способом, который всё ещё недостаточно изучен20. Сходство трансляции с бактериями заключается в том, что инициация трансляции нуждается в formylated methionine tRNA, это отличает инициатор метионина от такового, используемого во время элонгации, т.к. mtDNA кодирует только единственную tRNAMet (Fig. 2b). Дефекты этой мутации formylation вызывают тяжелые прогрессирующие митохондриальные болезни, в комбинации с дефектами респираторной цепи44. Главные ступени митохондриальной инициации трансляции, элонгации и терминации представлены на Fig. 2b. Митохондрии также содержат уникальный набор из 17 aminoacyl-tRNA synthetases, которые предназначены для aminoacylation кодируемых с помощью mtDNA tRNAs45 (Fig. 3). Синтетазы lysyl и glycyl aminoacyl-tRNA функционируют как в цитоплазматическом, так и компартментах. Кстати, неспособность восстановить in vitro функциональную систему трансляции мешает молекулярному и биохимическому пониманию системы белкового синтеза митохондриями. Появление новых методологий, таких как профилирование рибосом46, обещает улучшить наше понимание митохондриального белкового синтеза у человека.
    The major defects of mtDNA expression. Использование секвенирования следующего поколения для идентификации генетических мутаций при митохондриальных нарушениях у людей показало, что мутации в белках, кодируемых в ядре, которые необходимы для точного синтеза митохондриальных белков, являются основной причиной митохондриальных болезней8,45,47 (Fig. 3; Table 1). Ткане-специфические проявления митохондриальных болезней варьируют от младенческой кардиомиопатии до прогрессирующих болезней нервной системы у детей, мышечной слабости, возникающей у взрослых, эпизодов, подобных инсультам, крупных злокачественных опухолей коричневой жировой ткани, дисфункции сердца и почек, диабета или потери слуха7. Эти гетерогенные клинические проявления не сочетаются строго с потерей синтеза 13 mtDNA-кодируемых белков, но они показывают, что клеточные последствия дефектов функций tRNA, tRNA aminoacylation, сборки рибосом, полипептидного синтеза и контроля за качеством белков, отличаются. Антибиотики, ингибирующие трансляцию у бактерий, такие как aminoglycosides, происходные tetracycline, chloramphenicol и actinonin, также подавляют и синтез митохондриальных белков и оказывают разные эффекты на клеточную приспособленность и здоровье человека48-52.
    Тот факт, что многие нарушения человека возникают в результате дефектов сборки митохондриальных рибосом, не является сюрпризом, принимая во внимание, что это сложная структура, представленная 80 индивидуальными белками (все кодируются ядерным геномом), двумя mtDNA-кодируемыми рибосомальными РНК (rRNAs) и tRNA, и что их сборка использует огромное количество факторов, необходимых для модификаций РНК и для координации сборки малых и крупных субъединиц рибосом53. Удивительно, что существует столь немного патогенных мутаций в ядром кодируемых генах, которые, как известно, затрагивают этот процесс (Fig. 3; Table 1). Кстати, мутации потери функции в 5 генах, кодирующих белки митохондриальных рибосом (MRPs) крупной митохондриальной субъединицы (наз. MRPSs), как было установлено, затрагивают статистическую устойчивость рибосомальных субъединиц (Fig. 3; Table 1). Мутации в MRPL3, MRPL12, MRPS16 и MRPS22 снижают синтез митохондриальных белков; однако, исключением является MRPL44 - мутации в MRPL44 , как было установлено, нарушают сборку крупной митохондриальной субъединицы, но не дефекты трансляции, очевидные в культивируемых клетках54. Вместо этого вновь синтезированная cytochrome c oxidase subunit 1 (MT-CO1) из комплекса IV респираторной цепи оказывается нестабильной. MRPL44 располагается на поверхности крупной субъединицы вблизи MRPL45, которая взаимодействует или стыкуется с мембраной 55, подтверждая роль MRPL44 в координации транспорта только что синтезированного MT-CO1 полипептида, который выходит из рибосомального выходного туннеля. Эот пример прекрасно демонстрирует важность детального анализа мутаций, ведущих к болезням человека, и лежащих в их основе причин для понимания функций митохондриальных рибосом и их дисфункции при патологии.
    Болезни, которые ассоциируют с дефектами синтеза митохондриальных белков, обычно возникают в результате нарушений декодирования посланий мРНК во время трансляционной элонгации на митохондриальных рибосомах (Figs 2b,3). Эти дефекты возникают в результате мутаций митохондриальных tRNAs (нарушающих стабильность tRNA, модифицирующих основания); белков, которые необходимы для зарядки и доставки tRNAs на рибосомы; и белковых факторов, которые преобразуют эти компоненты, чтобы поддерживать трансляционную элонгацию (Fig. 3; Table 1). Нарушения, ассоциированные с мутациями в генах, которые кодируют aminoacyl-tRNA синтетазы, обнаружены как особенно важная причина болезней человека45 (Table 1). Несмотря на тот факт, что они все являются критическими для поддержания трансляции 3 mtDNA-кодируемых белков, их дисфункция вызывает сильно отличающиеся фенотипические отклонения, от кардиомиопатий до анемии, дисфункции яичников и нарушений головного мозга45 (Table 1). Истощение amino acid-charged tRNAs в рибосомах приводит приостановке или остановке трансляционной элонгации. Это событие может приводить или к преждевременному завершению синтеза полипептида или к нарушению временной регуляции экспрессии mtDNA, в обоих случаях возникает неспособность к сборке комплексов респираторной цепи.
    Из предполагаемых рибосомальных release факторов, патогенные мутации потери функции описаны только для C12ORF65, который является кодон-независимым release фактором (Fig. 3; Table 1). Все из описанных мутаций в C12ORF65 является преждевременными стоп-кодонами. Потеря функции этого белка не влияет на сборку митохондриальных рибосом, но приводит к нарушению синетеза митохондриальных белков56,57. Это предоставляет удивительную возможность, что потеря фактора кодон-независимого завершения передает сигналы пулу транслирующих рибосом, нарушающих трансляцию. Действительно ли, присутствие этого release фактора необходимо для трансляции специфических сообщений или всем 13 митохондриями кодируемым транскриптам, и действительно ли этот фактор функционирует только в специфических ситуациях или функционирует постоянно во время трансляционной элонгации, остается открытым вопросом.

    Mitochondrial stress and disease


    Аномалии экспрессии mtDNA, включая аберрантное поддержание и трансляцию mtDNA, вызывают различные стрессы (возникающие в результате дефекты в трансляции или несбалансированной трансляции компонентов респираторной цепи, которые кодируются с помощью митохондриальных и ядерных геномов), репликационные и транскрипционные стрессы, а также стрессы, которые связаны с истощением mtDNA как следствие недостаточности и/или несбалансированности пулов deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP)58. имеющиеся доказательства показывают, что реакции на митохондриальные стрессы, которые запускаются с помощью первичных молекулярных дефектов в органелле, а не дефектами оксидативного фосфорилирования per se, являются основными факторами вносящими вклад в митохондриальные нарушения.
    Protein synthesis defects, protein stress and mitochondrial disorders. Нарушения поддержания и трансляции mtDNA в конечном итоге приводят к сборке комплексов оксидативного фосфорилирования. Цитоплазматические рибосомы синтезируют 85% из ~90 структурных субъединиц комплексов респираторной цепи и АТФ синтазу, а также все необходимые для сборки факторы. Процесс сборки имеет множественные точки регуляции, включая контроль качества белка, который предшествует интеграции белков во внутреннюю мембрану и во время и после трансляции или импорта в митохондрии59. Напротив, все 13 митохондриальных белка одновременно с трансляцией вставляются непосредственно во внутреннюю мембрану. Этот пул полипептидов является лабильным: в культуре фибробластов человека свыше 75% de novo продуктов митохондриальной трансляции преобразуются (turned over) с помощью пути контроля качества60, они являются гомологами таковых у Alphaproteobacteria61. Два аппарата генной экспрессии, цитоплазматический и митохондриальный, также д. быть скоординированы во времни и в пространстве и связаны с динамикой митохондриальных мембран. Нарушение координации любого из этих процессов приводит к потере гомеостаза белков и как следствие к белковым стрессам и стрессам мембран органелл. Внутреняя митохондриальная мембрана является одной из многих белковых мембран в клетке, так что контроль качества инкорпорирующихся белков является важнейшим для поддержания гомеостаза органелл. Избыточное накопление вновь синтезированных белков с помощью митохондриальных рибосом может расточать потенциал митохондриальных мембран и запускать ремоделирование морфологии митохондрий, приводя к фрагментации митохондрий57. Недавние доказательства подтвердили, что реакции митохондрий на это и сходные стрессы вносит вклад в проявление митохондриальных болезней и может объяснить ткане-специфические характеристики митохондриальных нарушений.
    Напр., дефекты синтеза митохондриальных белков ассоциируют с двумя широко распространенными патогенными мутациями в митохондриальных tRNAs у людей: мутация в позиции 3243 в tRNALeu, которая распознает UUR (где R является A или G) кодон (m.3243A>G tRNALeu(UUR))62,63 и m.8344A>G tRNALys(AAR) (Ref. 64), которые ассоциируют с нарушениями MELAS и MERRF, соотв. Интересно, что несмотря на оба нарушения в результате мутаций в tRNA, клинические проявления этих нарушений отличаются62-64. В митохондриальном геноме людей количества UUR (Leu) или AAR (Lys) кодонов сходны (~ 2.5%), но мутации в родственных tRNAs продуцируют фундаментально отличные молекулярные дефекты во время митохондриальной трансляционной элонгации65 (Fig. 4a,b). Чтобы устранить дефекты синтеза митохондриальных белков, которые возникают в результате этих мутаций tRNA, необходимы разные молекулярные процессы, которые могут иметь разное значение для разных типов клеток. Т.о., д. существовать специфические для типов клеток реакции на стресс из-за наследственной способности исправлять нарушения синтеза митохондриальных белков, которые ассоциируют с этим мутациями в tRNA.

    Figure 4: Stress responses in mitochondrial dysfunction.

    a | A mitochondrial DNA (mtDNA) mutation in the tRNA for Lys that results in the substitution of adenine for guanine at position 8344 (m.8344A>G tRNALys(AAR) (where R can be guanine or adenine)) causes a reduction in the abundance of aminoacylated tRNALys(AAR) and defects in decoding Lys codons (this generates so-called 'hungry' codons). This defect results in the stalling of mitoribosomes and the production of incomplete polypeptides. Resolving this stress requires several coordinated molecular functions. b | The m.3243A>G tRNALeu(UUR)mutation generates a decoding defect during translation elongation, which leads to amino acid misincorporation (star) and the generation of unstable proteins that can be inserted into mitochondrial membranes. This stress can be resolved by the coordinated action of chaperones and proteases. Y denotes U or C. c,d | Activating transcription factors (ATFS-1 in Caenorhabditis elegans, ATF3-5 in mammals) recognize amino acid response elements (AARE) in target genes and are involved in all the known mitochondrial stress responses, but they activate different downstream targets in different systems. c | In C. elegans, ATFS-1 is involved in the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt). In response to mitochondrial dysfunction, ATFS-1 is stabilized and targeted to the nucleus, where it activates UPRmt genes, including mitochondrial heat shock proteins (mtHSPs) and mitochondrial proteases, such as CLPP80,81,82. d | In mammalian cells (cultured cells, mouse muscle and brain, and human muscle) that are affected by mtDNA expression defects, the ATFs drive a robust integrated mitochondrial stress response, with cell-intrinsic and cell-extrinsic effects on metabolism. The mitochondrial folate cycle is locally induced in the affected tissue, through the increased expression of mitochondrial bifunctional methylenetetrahydrofolate dehydrogenase/cyclohydrolase (MTHFD2), which impacts nucleotide synthesis, glutathione production as well as methylation reactions. ATFs also induce expression of fibroblast growth factor 21 (FGF21), which is a secretory signal that transmits the response from the affected tissue to the entire organism, having major consequences for the systemic energy metabolism96. In mammals, ATFs are at least partially under control of mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1), providing links between mitochondrial stress responses and growth control pathways.

    Мутация m.3243A>G tRNALeu(UUR) разрушает модификацию шаткой позиции (третья, менее критическая позиция в паре кодон-антикодон) с помощью taurine в этой tRNA. Было показано, что отсутствие taurine в этой позиции позволяет tRNA декодировать все UUX кодоны (где X является любым основанием), приводя к неправильному накоплению Leu66, но при отсутствии очевидных побочных эффектов на скорость трансляционной элонгации65. Как результат синтезируются нестабильные белки65,67. Такие аберрантные полипептиды затем вставляются во внутреннюю мембрану и необходимо, чтобы они распознавались шаперонами для экстракции из мембран и затем деградировались с помощью протеаз. Мутация m.8344A>G tRNALys затрагивает стабильность, аминоацилирование tRNA, а также модификации РНК в шаткой позиции. Мутантные tRNA, по-видимому, обладают значительной неспособностью декодировать lysine во время трансляционной элонгации68,69, это приводит к тяжелой остановке митохондриальных рибосом во время трансляционной элонгации. Устранение неспособности к синтезу полипептида полной длины нуждается в ступенчато-образном пути восстановления остановившихся рибосом: активность endoribonuclease для расщепления мРНК, release фактор для катализа расщепленных эфирных связей peptidyl-tRNA, и шапероны и протеазы для распознавания и деградирования аберрантных полипептидов. Даже если мутации обеих tRNA снижают состояние устойчивости собираемых комплексов респираторной цепи и АТФ синтазы, то разные молекулярные процессы необходимы для решения недостатков синтеза митохондриальных белков.

    tRNA mutations in humans.


    Нарушения контроля качества митохондриальных белков могут вносить вклад в болезни. Ключевой комплекс контроля качества необходим для оборота синтезированных митохондриями белков - это mAAA (matrix ATPases associated with diverse cellular activities) протеаза и комплекс шаперовнов. Этот AAA комплекс является ассоциированным с мембранами гексамером, который обращен лицом к митохондриальному матриксу и состоит из гомологичных олигомерных AFG3L2 (AFG3-like matrix AAA peptidase subunit 2) субъединиц или гетеро-олигомеров с paraplegin (кодируемым SPG7). Мутации в обеих субъединицах сцеплены с прогрессирующими нейрологическими болезнями, которые затрагивают антероградную поставку митохондрий в длинных аксонах нейронов70-72. Функция шаперона из AAA комплекса необходима для сборки двух митохондриями кодируемых субъединиц АТФ синтазы73. Отсутствие функции шаперона AFG3L2 активирует metalloendopeptidase OMA1. Эта протеаза расщепляет закрепленные на мембране изоформы родственной dynamin GTPase OPA1, высвобождая тем самым их из внутренней мембраны, это приводит к ремоделированию морфологии митохондриальных мембран, к продукции фрагментированного состояния41,50,57,60,74. В нейронах фрагментация митохондрий обусловлена процессингом OPA1, нарушающим трафик в аксонах, это приводит к нейродегенерации70. Недавняя работа продемонстрировала, что пусковым для этой стрессовой реакции является нарушение контроля качества синтезированных de novo белков, которые покидают митохондриальные рибосомы, приводя к избыточному накоплению полипептидов в мембране57.
    Activation of an integrated stress response in mitochondrial disease. Индукция митохондриальных стрессовых реакций и активация путей контроля качества инициирует ретроградные сигналы в митохондрии, которые затем активируют генетические программы в ядре для поддержания органелл и усиления контроля качества. Мощные транскрипционные стрессовые реакции индуцируются у пациентов, мышей и в клеточных линиях с дефектами поддержания и трансляции mtDNA50,58,75-77. Эта реакция использует активацию генов, которые несут консервативный amino acid response element (AARE) в своем вышестоящем регуляторном регионе76. AARE является местом связывания activating transcription factors (ATFs), разные изоформы которых связаны с реакциями на неупакованные белки с эндоплазматическом ретикулуме78 и с реакциями на неупакованные митохондриальные белки (UPRmt)79. UPRmt впервые были описаны в культивируемых клетках млекопитающих, которые избыточно экспрессировали нестабильный мутантный белок митохондриального матрикса79, затем он был охарактеризован у нематод Caenorhabditis elegans80. У червей ортолог ATF белков млекопитающих, activating transcription factor associated with stress 1 (ATFS-1), постоянно целенаправленно воздействует на митохондрии, но при ответе на дисфункцию митохондрий и на снижение импорта митохондриальных белков, сигнал ядерной локализации на С-конце белка перенаправляет ATFS-1 в ядро, чтобы активировать генетическую программу UPRmt, включая активацию экспрессии митохондриальных heat shock proteins (HSPs)81,82 (Fig. 4c). У C. elegans, дефицит комплекса IV митохондриальной респираторной цепи в нейронах вызывает активацию экспрессии HSP в кишечнике; было подтверждено, что этот эффект может быть объяснён с помощью гуморального (т.е. использующего жидкости тела) распространения стрессовой реакции посредством секретируемых 'mitokine' (Ref. 83). Геномный AARE элемент у червей идентичен таковому у млекопитающих, подтверждая, что реакция, скорее всего, сильно законсервирована.
    Несмотря на консервацию у низших организмов и млекопитающих индукции ATF-AARE в ответ на митохондриальный инсульт, нижестоящие мишени в пост-митотических тканях млекопитающих76 совершенно отличны от таковых в культивируемых клетках или у червей. Кроме того, у млекопитающих, имеется мало доказательств существования неупакованных митохондриальных белков. Более того, в тканях от пациентов с митохондриальными болезнями обнаруживается лишь незначительная индукция UPRmt-ассоциированных HSPs и протеазы CLPP, которая является митохондриальным матричным белком, которые обусловливает активацию UPRmt у червей (Fig. 4c), и эта реакция часто совпадает с индукцией программ митохондриального биогенеза15,16,77. Вместо этого, у млекопитающих дефекты поддержания и трансляции mtDNA активируют AARE транскрипты, которые кодируют белки, участвующие в регуляции метаболизма липидов и глюкозы, а также в anabolic one-carbon цикле58,75,84 (Box 2). Эти нижестоящие мишени могут действовать как клеточно-автономным образом (локальные эффекты в поврежденной клетке) , так и клеточно неавтономным образом (паракринные или эндокринные эффекты) (Fig. 4d). Т.к. эта реакция комбинирует транскрипционные компоненты UPRmt, а также метаболиты и передачу redox сигналов, поэтому мы обозначили её здесь как 'integrated mitochondrial stress response' (ISRmt).

    Box 2: One-carbon metabolism and the folate cycle

    Food-derived carbon units feed cellular anabolism. However, to be incorporated into biosynthetic reactions, these carbon units require specific carriers. Tetrahydrofolate (THF) is a versatile one-carbon (1C) carrier, and its different forms carry one-carbon units to feed growth pathways, including thymidylate and purine synthesis (through adenosine monophosphate (AMP) and inosine monophosphate (IMP) intermediates) and the methyl cycle. The methyl cycle involves the synthesis of S-adenosyl methionine (SAM), which can deposit methyl groups on substrates such as guanidinoacetate (GAA) or phosphatidylethanolamine (PE) to produce creatine or phosphatidylcholine (PC), respectively, as well as S-adenyl homocysteine (SAH), thereby being linked to glutathione synthesis (see the figure).The folate cycle connects nutrient intake (folate uptake and glucose-driven de novo serine biosynthesis) to growth pathways (DNA and phospholipid synthesis). The mitochondrial arm of one-carbon metabolism is known as the mitochondrial folate cycle. The mitochondrial folate cycle is important for mitochondrial translation as it generates formylmethionine (fMet), which initiates mitochondrial protein synthesis. Unperturbed mitochondrial translation is in turn important for the proper assembly of the respiratory chain complexes and oxidative phosphorylation (OXPHOS) (see the figure). Recent studies indicate the importance of the mitochondrial folate cycle for whole-cell biosynthetic pathways and disease manifestations58,75,124. The regulatory enzyme in the mitochondrial folate cycle is mitochondrial bifunctional methylenetetrahydrofolate dehydrogenase/cyclohydrolase (MTHFD2), which is highly induced in fetal development and in patients with primary mitochondrial DNA (mtDNA) expression defects58,75. The induction of this pathway in mtDNA maintenance diseases is robust and occurs as a stress response, but exactly how upregulation of the mitochondrial folate cycle contributes to disease progression is still unclear. The dashed arrows indicate a de novo serine biosynthesis pathway which originates from glucose.


    The integrated mitochondrial stress response, the one-carbon cycle and mtDNA defects. Клеточно-автономная ISRmt использует раннюю индукцию, регулируемую с помощью AARE-ATF, митохондриального цикла folate, который является интегральной частью one-carbon метаболизма58,76 (Box 2). Этот цикл предоставляет formyl-methionine для инициации трансляции в митохондриях, а также специфические формы folate, которые несут one-carbon единицы , для обеспечения реакций анаболического биосинтеза в цитоплазме85. Регуляторный энзим митохондриального цикла folate, methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2 (MTHFD2), содержит AAREs в своем промоторе76. Критическая роль redox-регулируемого MTHFD2 и митохондриального цикла фолата в клеточных анаболических реакциях и в контроле роста впервые была идентифицирована в раковых клетках86. Неожиданно сходная реакция индуцировалась в пост-митотических скелетных мышцах и сердечной ткани, которые были дефектны по экспрессии76. При митохондриальных болезнях, однако, индукция MTHFD2 является стрессовой реакцией, т.к. фермент обычно не присутствует в здоровой ткани по сремя постнатальной жизни. Эта клеточно-автономная метаболическая стрессовая реакция, управляемая с помощью ATF-AARE, предоставляет затронутым клеткам нуклеотиды для поддержания ДНК, glutathione в качестве редуцирующего агента и антиоксидант, а также фосфолипиды и NADPH для синтеза мембран58,86-89. Недавно было установлено, что путь mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) стоит выше этой реакции и активирует индукцию MTHFD2, митохондриальный цикл фолата и синтез пуринов, обеспечивая тем самым связь между метаболической реакцией и основным путем регуляции клеточного роста90,91.
    При митохондриальной миопатии, первичный митохондриальный дефект обнаружен в хронической индукции MTHFD2 и в митохондриальной ветви управляемого холатом one-carbon цикла. Этот центральный биосинтетический путь представляет one-carbon единицу для синтеза путина и тимидина, а также для реакций trans-sulfuration и метилирования, управляющих синтезом creatine и фосфолипидов58 (Box 2). Дисбаланс one-carbon метаболизма при митохондриальной миопатии с множественными делециями mtDNA, как было установлено, приводит к образованию несбалансированного пула dNTP, который, как полагают, вносит вклад в мутагенез mtDNA при митохондриальной миопатии58,75. Индукция синтеза dNTP может быть реакцией на остановку репликации mtDNA, которая вызывается мутациями в компонентах реплисом. Аналогично низкие или несбалансированные пулы dNTP обнаруживаются у мышей, моделирующих болезни истощения mtDNA, которые содержат мутантные формы Twinkle58. Структурный анализ Twinkle подтверждает, что мутации, модифицирующие структуру helicase так, что dNTPs гидролизуются даже, если Twinkle не связан с mtDNA, тем самым истощается митохондриальный пул dNTP58. Эти примеры иллюстрируют взаимосвязь поддержания mtDNA и пулами dNTP, это обеспечивается с помощью one-carbon цикла. Более того, эти находки подтверждают, что one-carbon metabolic передача сигналов вносит вклад в нарушениями, возникающими у взрослых с множественными делециями mtDNA, тогда как истощение mtDNA приводит к истощению пула dNTP. Тот факт, что дефекты поддержания mtDNA модифицируют пулы dNTP помогают также объяснить, почему первичные дефекты метаболических ферментов dNTP приводят к клиническим последствиям, сходными с таковыми при истощении mtDNA: оба влияют на клеточные пулы dNTP. Это подтверждается тем фактом, что генетические мутации, нарушающие функцию цитозольного энзима ribonucleotide reductase subunit M2B (RRM2B), основного фермента, синтезирующего dNTPs, также вызывают синдром митохондриального истощения или нарушения с делециями mtDNA31. Эти данные согласуются с недавними доказательствами, что добавление nucleoside может выступать в качестве терапевтического средства при дефектах энзимов, поддерживающих mtDNA92.
    Systemic mediators of the integrated mitochondrial stress response. ISRmt также может оказывать системные эффекты. Клеточно неавтономный компонент реакции ISRmt обеспечивается с помощью цитокина fibroblast growth factor 21 (FGF21), который содержит несколько AARE элементов в своем промоторе93. Экспрессия FGF21 индуцируется м цитокин секретируется в кровь пациентов и мышиных моделей с дефектами трансляции или mtDNA 76,77,94,95. FGF21 считается цитокином реакции на голодание: в здоровой печени, FGF21 индуцируется после 12 ч. голодания у мышей и после 7 дней голодания у людей96-98. Это вызывает множественные метаболические эффекты, такие как индукция печеночного ketogenesis и lipolysis в жировой ткани, а также потребление глюкозы и липидов тканями и индукцию липидной β-oxidation96-98. Growth differentiation factor 15 (GDF15), член семейства transforming growth factor-β (TGFβ), является ещё одним цитокином, обладающим метаболическими и противо-воспалительными эффектами, которые активируются у пациентов с митохондриальных\ми нарушениями99. Метаболические эффекты активации GDF15 воспроизводят таковые при активации FGF21100,101.Уровни GDF15, по-видимому, увеличиваются при ряде тяжелых нарушений у людей, lf't без четкой связи с дисфункцией митохондрий. Тем не менее, эти цитокины являются прекрасными сывороточными биомаркерами дисфункции митохондрий в тканях95.
    Индукция и секреция FGF21 и GDF15 в ответ на дисфункцию митохондрий в скелетных мышцах показывают, что метаболиты и цитокины, возникающие в больных тканях могут модифицировать метаболизм и прогрессирование болезни в удаленных системах органов. Такая клеточно неавтономная реакция воспроизводит предполагаемую секрецию mitokine, являющегося частью UPRmt у C. elegans83 (see above), и напоминает эффекты не идентифицированного секреторного компонента, который является защитным у мышей, моделирующих сердечную гипертрофию, вызываемую нокаутом митохондриальной протеазы102. Действительно ли индукция FGF21 или GDF15 вносит вклад в прогрессирование митохондриальных болезней, остается неясным. Однако, FGF21, как известно, легко преодолевает гемато-энцефалический барьер у грызунов и влияет на разные зависимые от питания поведения посредством своих рецепторов β-klotho и FGFR1 в гипоталамусе98,103. Следовательно, FGF21, который экспрессируется в периферических тканях , может в принципе модифицировать метаболизм всего организма, включая метаболическую регуляцию центров головного мозга.
    Итак, имеющиеся доказательства показывают, что ISRmt, возникающие в результате стресса органелл, могут вносить вклад в различные проявления митохондриальных нарушений. Во-первых, ISRmt способна модифицировать клеточный one-carbon метаболизм. Поскольку разные ткани обнаруживают разные потребности в специфических ветвях one-carbon метаболического пути (Box 2), напр., скелетные мышцы являются основными потребителями creatine у взрослых104, то специфическими последствия ISRmt могут быть разными в зависимости от затронутой ткани. Во-вторых, дефекты в поддержании и экспрессии mtDNA выявляют широко распространенное ремоделирование метаболизма организма посредством ISRmt. Такое ремоделирование биосинтетического и всего организма метаболизма в следствие дисфункции митохондрий является новой концепцией митохондриальной патологии и может иметь важное применение для понимания тканевой специфичности и для разработки новых терапевтических подходов (напр., привлечение агентов, нацеленных на one-carbon пути) для лечения пациентов, страдающих от митохондриальных болезней.
    Др. митохондриальные стрессовые реакции и механизмы контроля качества, такие как продуцируемы митохондриями пузырьки и mitophagy, также могут вносить существенный вклад в проявления нарушений поддержания и трансляции mtDNA105,106.

    Oxygen, ROS and mitochondrial disease


    Из разных сигналов, испускаемых митохондриями, ROS часто ассоциируются с патологией, т.к. радикалы кислорода, как известно, повреждают мембраны и ДНК, если продуцируются в больших количествах. первичная митохондриальная форма ROS является реактивным superoxide радикалом, но периоксид (перикись) водорода является единственным видом, который может пересекать митохондриальную мембрану. ROS являются основным продуктом митохондриального оксидативного метаболизма107. Следовательно, дефекты с экспрессии митохондриальных генов и возникающие в результате дефекты сборки аппарата оксидативного фосфорилирования, как полагают, будет приводить к усилению продукции ROS и оксидативным повреждениям108. Однако, такие оксидативные повреждения редко наблюдаются на животных моделях митохондриальных болезней, даже в случае тяжелых дефектов респираторной цепи или мутагенеза mtDNA (напр. mtDNA mutator мыши)26,27. Недавно показано, что митохондриальный пероксид водорода может вносить вклад в патологию специфических типов клеток путем модификации клеточного поведения или судеб скорее, чем вследствие оксидативных повреждений109; напр., пероксид водорода может способствовать пролиферации и детерминации предшественников стволовых клеток. Следовательно, ROS могут действовать ка реостат в клетках, тонко контролируя их функции и может вносить вклад в патологию даже в отсутствие оксидативных повреждений. Эта идея подтверждена исследованием животных моделей дефектов поддержания mtDNA, в частности, mtDNA mutator мыши, у которых присутствует синдром прогерии, ассоциирующийся с дисфункцией нейральных стволовых клеток, а также при дефектах созревания эритроидных предшественников (эритробластов), которые обнаруживают аномальную нагрузку железа110. Следовательно, объяснение прогерии, как полагают, заключается в повышении груза мутаций mtDNA в соматических стволовых клеток и клетках предшественников, что приводит к потере стволовости клетками110,111. Т.к. некоторые дефекты могут быть устранены с помощью антиоксидантов111, то это подтверждает роль увеличения ROS и модификации передачи сигналов ROS в этой патологии. ROS, как было установлено, является важной сигнальной молекулой, которая также регулирует пролиферацию стволовых клеток и предопределение судеб в моделях прогерии , не связанных с митохондриями13,112,113. Т.о., модифицированная передача сигналов ROS и одновременная дисфункция стволовых клеток также вносят вклад в прогрессирование митохондриальных болезней.
    У модельных mtDNA mutator мышей антиоксиданты N-acetyl cysteine и mitoQ (a mitochondria-targeted ubiquinone) способствуют сохранению стволовости соматическиъ стволовых клеток и устраняют дефект избыточной нагрузки железа в эритробластах110,111. Однако, одна и та же доза mitoQ, которая улучшает функцию гематопоэтических предшественников, останавливая пролиферацию нейральных стволовых клеток и увеличивая клеточную гибель в такого типа клетках12. Это доказательство подчеркивает дифференциальную чувствительность разных типов стволовых клеток в отношении ROS-модифицирующей терапии и указывает на необходимость внимательного отношения к разработке мощных антиоксидантов для терапии.
    Недавнее исследование показало, что кислород сам по себе может способствовать прогрессированию митохондриальных болезней, т.к. хроническая гипоксия задерживает прогрессирование клинических и морфологических признаков в сложной I-deficient мышиной модели Leigh синдрома114, который является опустошительной, прогрессирующей болезни головной мозга детей, которая проявляется как некротические повреждения ствола головного мозга115. Действительно ли вмешательства, нацеленные на путь гипоксии, пригодны для лечения нарушений экспрессии mtDNA, и действительно ли они приложимы для лечения людей в целом, остается доказать.

    Metabolism as a therapeutic target


    Последние 5 возникла надежда на лечение митохондриальных болезней, исходя из преклинических исследований на мышах. Наиболее успешными стратегиями стали усиление митохондриального биогенеза и активация питательных сенсоров с использованием генетических подходов и малых молекул. Агонист peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) bezafibrate, ketogenic диета и 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide (AICAR; агонист AMP-activated kinase) все они способствуют биогенезу митохондрий, индукции липидного окисления и улучшению мышечного метаболизма у моделей митохондриальной миопатии116-118. Кроме того, использование vitamin B3 (nicotinamide riboside) или ингибиторов NAD+-consuming энзима PARP увеличивают соотношение между окисленным NAD+ и его редуцированной формой (NADH), это отражает состеяние redox потенциала клетки, индуцирует sirtuins и PPARγ co-activator 1α (PGC1α) и способствует митохондриальному биогенезу при митохондриальных болезнях и заметно снижают симптомы связанной с болезнью миопатии15,16. Rapamycin, ингибитор mTORC1, снижает проявления в головном мозге в комплексе у I-deficient мышей119. Однако, всё ещё остается неясной продолжительность действия эффектов, способствующих биогенезу и/или метаболической активности затронутых органелл.
    Недавно продемонстрировано метаболическое ремоделирование one-carbon цикла при митохондриальных болезнях, это открывает возможность использования специфических метаболитов, которые участвуют в этом метаболическом пути, или витамины группы B (которые являются источником коэнзимовe в one-carbon цикле) в качестве терапевтических агентов при этих нарушениях. Эта возможность, как детальное молекулярное исследование генетически модифицированных мышей может указать на неожиданное и непосредственное лечение у людей. Однако, изучение модифицированной Atkins (ketogenic) диеты у пациентов с митохондриальной миопатией выявило легкие избирательные повреждения и лизис наиболее поврежденных мышечных волокон, обеспечивает умеренное успешное долговременное воздействие на силу мышц120, это отличается от влияние пищевого режима у мышей, у которых эта диета обнаруживала значительный лечебный эффект на маркеры митохондриальных болезней, включая улучшение структуры и функции мышц и митохондрий коричневого жира, но не на повреждения мышц118. Эти примеры подчеркивают строгую необходимость в хороших животных моделях, в четких преклинических данных и пилотных клинических испытаниях для тестирования терапевтического успеха метаболических вмешательств.

    Conclusions and perspectives


    Recent evidence indicates that mitochondrial function is monitored at various levels in healthy and disease states, and that mitochondrial signals - in particular, those that are induced by stress responses - can have dramatic effects on oxidative and biosynthetic pathways in the cell, and can even affect whole-body metabolism. These effects of mitochondrial dysfunction appear to be intimately linked with nutrient-sensing pathways and the one-carbon cycle but, to date, these links are poorly understood, and more thorough analysis is required to improve our understanding of the metabolic remodelling that occurs in the context of mitochondrial diseases.
    What has been revealed so far is that the highly conserved ATF transcription factors - which integrate nutrient availability (through the mTORC1 pathway) with ATP synthesis and folate-driven biosynthesis pathways - appear to serve as the mediators between mitochondrial dysfunction and metabolism. This finding underscores the physiological importance of the intricate crosstalk between mitochondria, cellular metabolism and the environment.
    From a broader perspective, molecular insight into the mechanisms that lead to primary mitochondrial diseases may be valuable for the understanding of more common disorders, such as Parkinson disease. Clinical symptoms of parkinsonism are observed in some mtDNA maintenance disorders with multiple mtDNA deletions121,122, whereas patients with idiopathic Parkinson disease (the most prevalent form of the disease) show respiratory chain deficiency and multiple mtDNA deletions in the affected neurons123. These observations raise the possibility that the mtDNA instability that is reported in Parkinson disease, or even during physiological ageing, might be a consequence of dNTP imbalance and changes in one-carbon metabolism. Therefore, results obtained from studying well-described, albeit rare, genetic mitochondrial disorders may provide important clues regarding the mechanisms and potential interventions for common polygenic human diseases.