Современные подходы в диагностике и лечении митохондриальных заболеваний

Современные подходы в диагностике и лечении митохондриальных заболеваний Зиновкин Роман Алексеевич, кбн, зав. лаб. молекулярной биологии. Биологический ф-т МГУ, НИИ Митоинженерии МГУ. roman. zinovkin@gmail. com

Митохондриальные заболевания (МЗ) • Являются результатом дисфункции внутриклеточных органелл – митохондрий; • Причина дисфункций – мутации в ядерной и митохондриальной ДНК; • Проявляются в любом возрасте; • Разнообразные симптомы; • Плохо поддаются лечению.

Клетка и митохондрия

Митохондрии Основные функции: • Синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) => обеспечение клеток энергией; • Передача внутриклеточных сигналов (дифференцировка клеток, апоптоз).

Митохондриальная ДНК (мт. ДНК) Наиболее частая причина МЗ: наследственные точечные мутации в мт. ДНК. В мт. ДНК 37 генов В каждой клетке содержится от 100 до 3000 молекул мт. ДНК

Гетероплазмия мт. ДНК В одной клетке могут одновременно присутствовать разные молекулы мт. ДНК – гетероплазмия. Дисфункция возникает при превышении определенного порога содержания мутантной мт. ДНК.

Генетика МЗ (мт. ДНК) 1. Материнское наследование (90% наследственная оптическая нейропатия Лебера (НЛ)): женщина передает мутацию всем потомкам.

Генетика МЗ (мт. ДНК, гетероплазмия) 2. Материнское наследование (10% нейропатий Лебера): вероятность передачи мутации потомкам неизвестна.

Мутации в ядерной ДНК также могут приводить к МЗ • ~ 1 000 белков, работающих в митохондриях, закодированы в ядерном геноме (я. ДНК)

Генетика МЗ (я. ДНК) 3. Аутосомно-доминантное наследование (доминантная оптическая атрофия): мужчины и женщины имеют 50% шанс передачи мутации каждому из детей.

Генетика МЗ (я. ДНК) 4. Аутосомно-рецессивное наследование (например, атаксия Фридрейха): каждая мутантная аллель родителей имеет 50% шанс передачи следующему поколению, однако болезнь развивается только при наличии обоих аллелей.

Классификация МЗ • • Классификация затруднена тем, что одна и та же мутация может иметь разнообразные клинические проявления. Это происходит из-за: гетероплазмии; накоплении ошибок мт. ДНК в процессе репликации; тканеспецифичности порогового уровня; различных негенетических факторов.

Тканеспецифичность МЗ Гл. образом поражаются нервные и мышечные ткани. Почему? – Высокий уровень метаболизма => низкий порог гетероплазмии; – Постмитотические ткани: клетки практически не делятся митозом, в них накапливаются дефектные митохондрии с дефектной мт. ДНК; С возрастом накапливаются мутантные мт. ДНК в черной субстанции => страдают дофаминэргические нейроны.

Диагностика МЗ 1. Клинические исследования 2. Лабораторные исследования – Исследование крови; – ЭКГ; – МРТ, ПЭТ, КТ; – Биопсия скелетной мышцы; – Генетические анализы.

Генетическая диагностика МЗ 1. Анализ мт. ДНК => поиск точечных мутаций и делеций. Проводится на любой ткани, содержащий митохондрии, предпочтительнее использовать постмитотические ткани (скелетные мышцы). – ПЦР – поиск определенных точечных мутаций – Секвенирование мт. ДНК (полное или частичное) Для некоторых МЗ характерно наличие вторичных мутаций в мт. ДНК.

Генетическая диагностика МЗ 2. Секвенирование я. ДНК. Любая ткань. – Секвенирование отдельных генов – Секвенирование кодирующих участков (экзома) – Полногеномное секвенирование.

Генетическая диагностика нейропатии Лебера (НЛ) • 90% НЛ обусловлены одной из трех точечных мутаций в мт. ДНК, затрагивающих ЭТЦ. Клинический фенотип неотличим, однако диагностика необходима для оценки вероятности спонтанного восстановления зрения. Мутация 14484 имеет 37– 71% шанс восстановления, 11778 – только 4%. • Исследования носителей мутаций НЛ в Европе показали, что у курящих пенетрантность составляет 93%, у некурящих – 66%. PMID: 16083845; 8600429; 7735876; 1532593; 19001017; 19525327; 19001017.

Генетическая диагностика МЗ • Атаксия Фридрейха в 95% случаев обусловлена мутациями некодирующей области гена фратаксина. • Наследственная доминантная оптическая атрофия в 70 -90% случаев обусловлена мутациями в гене OPA 1, тогда как спонтанная форма оптической атрофии – только 50% мутаций в OPA 1. • Хроническая прогрессирующая наружняя офтальмоплегия характеризуется мутациями в ряде генов, чьи белки участвуют в репликации мт. ДНК. Предпочтительнее полногеномная диагностика. Часто наблюдаются делеции мт. ДНК, носящие вторичный характер.

Лечение МЗ • В основном симптоматическое • Переносчики электронов в ЭТЦ митохондрий / тушители свободных радикалов – Idebenone – нейропатия Лебера (PMID: 21788663; 23263355).

Лечение МЗ: перспективы • Индукция биогенеза митохондрий (эстроген? ) • Генная терапия • Митохондриально-адресованные соединения

Митохондриально-адресованные соединения Tetraphenylphosphonium cation ( «electric locomotive molecule» ) Sk. Q 1 – mitochondriatargeted antioxidant: an antioxidant (plastoquinol) is conjugated with electric locomotive molecule 0, 5 nm

Лечение ретинопатии и катаракты Sk. Q 1 крыс линии OXYS Колосова Н. Г. дбн Зав. сектором ИХБи. ФМ 2008 г.

Nature 429, 417 -423 (27 May 2004) Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase Aleksandra Trifunovic, Anna Wredenberg, Maria Falkenberg, Johannes N. Spelbrink, Anja T. Rovio, Carl E. Bruder, Mohammad Bohlooly-Y, Sebastian Gidlöf, Anders Oldfors, Rolf Wibom, Jan Törnell, Howard T. Jacobs & Nils-Göran Larsson Department of Medical Nutrition, Karolinska Institutet, Novum, Karolinska University Hospital, S-141 86 Stockholm, Sweden Correspondence to: Nils-Göran Larsson Email: nils-goran. larsson@mednut. ki. se

Трансгенные мыши с мутацией в митохондриальной ДНК полимеразе γ (data by B. Cannon and coworkers, Sweden) Такие мыши преждевременно стареют и умирают. С возрастом накапливают множество мутаций в мт. ДНК.

Sk. Q 1 увеличивает продолжительность жизни мышей с мутантной мт. ДНК ПОЛ

Другие эффекты Sk. Q 1 на мутантных мышей • Увеличение физической активности; • Снижение вероятности развития кифоза; • Предотвращение облысения; • Сохранение эстральных циклов • Предотвращение потери веса; • Увеличение метаболической активности митохондрий.

. Sk. Q 1 предотвращает вызванное OH окисление кардиолипина M. Vysokikh 2008

Окисление кардиолипина приводит к апоптозу клеток

Наши планы • Изучение молекулярных механизмов повреждения митохондрий при МЗ, изучение протекторного действия Sk. Q 1. • Клинические испытания митохондриально-направленных веществ на пациентах, имеющих мутации в митохондриальной ДНК полимеразе.

Спасибо за внимание! Презентация доступна на сайте oftalmic. ru