Что такое митохондриальные болезни?
Митохондриальные заболевания — это группа болезней, вызванных дисфункциональными митохондриями, органеллами, которые генерируют энергию клеткам. Митохондрии находятся в каждой клетке человеческого тела, кроме красных кровяных телец (эритроциты), и преобразуют энергию молекул пищи в аденозинтрифосфат (АТФ), который обеспечивает большинство функций клеток.
Митохондриальные болезни приобретают уникальные характеристики как из-за того, что заболевания часто передаются по наследству, так и из-за того, что митохондрии так важны для функционирования клеток. Подкласс этих заболеваний, имеющих нервно-мышечные симптомы, иногда называют митохондриальными миопатиями.
Признаки и симптомы
Симптомы митохондриальных болезней включают:
- плохой рост;
- потеря мышечной координации;
- мышечная слабость;
- проблемы со зрением
- проблемы со слухом;
- неспособность к обучению;
- болезни сердца;
- заболевания печени;
- болезни почек;
- желудочно-кишечные заболевания;
- респираторные расстройства;
- неврологические проблемы;
- вегетативная дисфункция;
- деменция.
Приобретенные состояния, в которые вовлечена митохондриальная дисфункция, включают:
- диабет;
- болезнь Гентингтона;
- рак;
- болезнь Альцгеймера;
- болезнь Паркинсона;
- биполярное расстройство, шизофрения, тревожные расстройства;
- сердечно-сосудистые заболевания;
- саркопения;
- синдром хронической усталости.
Тело и каждая мутация модулируется другими вариантами генома; мутация, которая у одного человека может вызвать заболевание печени, может у другого человека вызвать расстройство головного мозга. Степень тяжести конкретного дефекта также может быть большой или небольшой. Некоторые расстройства включают непереносимость физических упражнений. Дефекты часто сильнее влияют на работу митохондрий и нескольких тканей, что приводит к многосистемным заболеваниям.
Как правило, митохондриальные заболевания хуже, когда дефектные митохондрии присутствуют в мышцах, головном мозге, или нервах, так как эти клетки используют больше энергии, чем большинство других клеток в организме.
Хотя митохондриальные болезни сильно различаются по проявлениям от человека к человеку, были определены несколько основных клинических категорий этих состояний, основанных на наиболее общих фенотипических особенностях, симптомах и признаках, связанных с конкретными мутациями, которые, как правило, вызывают их.
Причины
Митохондриальные нарушения могут быть вызваны мутациями (приобретенными или унаследованными) в митохондриальной ДНК (мтДНК) или ядерных генах, которые кодируют митохондриальные компоненты. Они также могут быть результатом приобретенной митохондриальной дисфункции из-за побочных эффектов лекарств, инфекций или других факторов окружающей среды.
Ядерная ДНК имеет две копии на клетку (кроме сперматозоидов и яйцеклеток), одна копия унаследована от отца, а другая — от матери. Однако митохондриальная ДНК наследуется только от матери (за некоторыми исключениями), и каждая митохондриальная органелла обычно содержит от 2 до 10 копий мтДНК. Во время деления клетки митохондрии случайным образом разделяются между двумя новыми клетками. Эти митохондрии делают больше копий, обычно достигая 500 митохондрий на клетку. Поскольку мтДНК копируется при пролиферации митохондрий, они могут накапливать случайные мутации — явление, называемое гетероплазмией. Если только несколько копий мтДНК, унаследованных от матери, являются дефектными, деление митохондрий может привести к тому, что большая часть дефектных копий окажется только в одной из новых митохондрий. Митохондриальное заболевание может стать клинически очевидным, когда количество пораженных митохондрий достигнет определенного уровня; это явление называется «пороговая экспрессия».
Митохондрии обладают многими из тех же путей репарации ДНК, что и ядра, но не всеми; поэтому мутации происходят чаще в митохондриальной ДНК, чем в ядерной ДНК. Это означает, что нарушения митохондриальной ДНК могут возникать спонтанно и относительно часто. Дефекты ферментов, контролирующих репликацию митохондриальной ДНК (все из которых кодируются генами ядерной ДНК), также могут вызывать мутации митохондриальной ДНК.
Большая часть митохондриальной функции и биогенеза контролируется ядерной ДНК. Митохондриальная ДНК человека кодирует 13 белков дыхательной цепи, в то время как большинство из примерно 1500 белков и компонентов, нацеленных на митохондрии, кодируются ядром. Дефекты в ядерно-кодируемых митохондриальных генах связаны с сотнями клинических фенотипов заболеваний, включая анемию, деменцию, артериальную гипертензию, лимфому, ретинопатию, эпилепсию и нарушения развития нервной системы.
В исследовании ученных Йельского университета (опубликованном 12 февраля 2004 г. в выпуске New England Journal of Medicine) изучалась роль митохондрий в резистентности к инсулину у потомков пациентов с диабетом 2 типа. Другие исследования показали, что этот механизм может включать прерывание митохондриального сигнального процесса в клетках организма (внутримиоцеллюлярные липиды). Исследование, проведенное в Центре биомедицинских исследований Пеннингтона в Батон-Руж, штат Луизиана, показало, что это, в свою очередь, частично отключает гены, производящие митохондрии.
Примеры митохондриальных болезней
Примеры митохондриальных заболеваний включают:
- Митохондриальную миопатию.
- Cиндром сахарного диабета и глухоты:
- эта комбинация в раннем возрасте может быть связана с митохондриальным заболеванием;
- cахарный диабет и глухота могут встречаться одновременно по другим причинам.
- Наследственная оптическая нейропатия Лебера:
- потеря зрения, начинающаяся в молодом возрасте;
- заболевание глаз, характеризующееся прогрессирующей потерей центрального зрения из-за дегенерации зрительных нервов и сетчатки;
- затрагивает 1 из 50 000 жителей Финляндии.
- Синдром Лея, подострая склерозирующая энцефалопатия:
- после нормального развития ребенка заболевание обычно начинается в конце первого года жизни, хотя начало может наступить в зрелом возрасте;
- происходит быстрое снижение функции, которое сопровождается судорожными припадками, измененным состоянием сознания, деменцией, недостаточностью дыхания.
- Нейропатия, атаксия, пигментный ретинит и птоз (от англ. Neuropathy, ataxia, and retinitis pigmentosa [синдром NARP]):
- прогрессирующие симптомы, как описано в аббревиатуре
- деменция.
- Синдром митохондриальной нейрогастроинтестинальной энцефалопатии (МНГИЭ):
- псевдообструкция кишечника;
- нейропатия.
- Миоклоническая эпилепсия с рваными красными мышечными волокнами (синдром MERRF, от англ. Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fibers):
- прогрессирующая миоклоническая эпилепсия;
- «рваные красными волокна» представляют собой скопления пораженных митохондрий, которые накапливаются в субсарколеммальной области мышечного волокна и появляются, когда мышца окрашивается модифицированным трихромным окрашиванием по Гомори;
- невысокий рост;
- потеря слуха;
- лактоацидоз;
- непереносимость физических нагрузок.
- Синдром MELAS (от англ. Mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes);
- Синдром истощения митохондриальной ДНК.
Такие состояния, как атаксия Фридрейха, могут влиять на митохондрии, но не связаны с митохондриальными белками.
Эпидемиология
Примерно у 1 из 4000 детей к 10 годам разовьются митохондриальные болезни. До 4000 детей в год рождаются с типом митохондриального заболевания. Поскольку митохондриальные нарушения содержат множество вариаций и подмножеств, некоторые конкретные митохондриальные болезни встречаются очень редко.
Диагностика
Митохондриальные заболевания обычно обнаруживаются путем анализа образцов мышц, в которых присутствие этих органелл выше. Наиболее распространенными тестами для выявления этих заболеваний являются:
- Саузерн-блоттинг для определённой последовательности ДНК в образце.
- Полимеразная цепная реакция и тестирование на специфические мутации.
- Секвенирование.
Лечение
Хотя исследования продолжаются, в настоящее время возможности лечения ограничены; часто назначаются витамины, хотя доказательства их эффективности ограничены. Пируват был предложен в 2007 году в качестве варианта лечения. N-ацетилцистеин обращает вспять многие модели митохондриальной дисфункции. В случае расстройств настроения, в частности биполярного расстройства, предполагается, что N-ацетилцистеин, ацетил-L-карнитин, S-аденозилметионин, коэнзим Q10, альфа-липоевая кислота, моногидрат креатина и мелатонин могут быть потенциальными вариантами лечения.
— Генная терапия до зачатия.
Перенос веретена, при котором ядерная ДНК переносится в другую здоровую яйцеклетку, оставляя дефектную митохондриальную ДНК, является потенциальной процедурой лечения, которая была успешно проведена на обезьянах. Используя аналогичную технику переноса пронуклеусов, исследователи из Университета Ньюкасла под руководством Дугласа Тернбулла успешно трансплантировали здоровую ДНК из человеческих яйцеклеток от женщин с митохондриальными заболеваниями в яйцеклетки незатронутых женщин-доноров. В таких случаях возникают этические вопросы относительно биологического материнства, поскольку ребенок получает гены и генные регуляторные молекулы от двух разных женщин. Использование генной инженерии в попытках произвести на свет детей, свободных от митохондриальных болезней, вызывает споры в некоторых кругах и поднимает важные этические вопросы. В 2016 году в Мексике родился ребенок мужского пола от матери с синдромом Лея с использованием переноса веретена.
В сентябре 2012 г. в Великобритании были начаты общественные консультации для изучения связанных с этим этических проблем. Генная инженерия человека использовалась в небольшом масштабе, чтобы позволить бесплодным женщинам с генетическими дефектами митохондрий иметь детей. В июне 2013 года правительство Соединенного Королевства согласилось разработать закон, который узаконил бы процедуру «ЭКО с использованием ДНК трех человек» в качестве лечения для исправления или устранения митохондриальных болезней, которые передаются от матери к ребенку.
Прогноз
В целом митохондриальные болезни являются прогрессирующими заболеваниями, и значительное число детей с митохондриальными расстройствами не достигают совершеннолетия. Скорость прогрессирования может быть переменной и непредсказуемой, но у большинства пациентов в конечном итоге разовьется поражение нескольких органов.
