CC BY
72РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЙ, ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ И СПОРТИВНОЙ МЕДИЦИНЕ
УДК 615
Шендеров Б.А.
ФБУН Московский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. Г.Н. Габричевского Роспотребнадзора, Москва, Россия
ROLE OF MITOCHONDRIA IN PREVENTIVE, RESTORATIVE AND SPORTS MEDICINE
Shenderov B.A.
Moscow Research Institute of Epidemiology and Microbiology after G.N.Gabrischevsky, Moscow, Russia
Введение
Цитоплазматические органеллы, осуществляющие биоэнергетические процессы в клетках растений и животных, были открыты в 1841 году; в 1900 году они получили название митохондрии. В 1948 году митохондрии были изолированы в чистой культуре. Присутствие собственной ДНК у этих органелл было установлено лишь в 60-х годах прошлого века. В 1981-1986 годы митохон-дриальная ДНК (мтДНК) человека была секвенирована, что позволило установить в ней количество генов и их основные функции [1, 2]. Митохондрии, присутствуют у большинства животных клеток (исключение составляют лишь эритроциты крови). Митохондрии являются наиболее распространенным видом бактерий в организме человека; их происхождение связывают с альфа-про-теобактериями родов Rickettsia, Ehrlichia, Anaplasma. В клетках взрослого человека, как полагают, присутствует до 1015-17митохондрий. [3-7].
Структура митохондрий
Типичная клетка млекопитающих содержит от десятков до тысяч митохондрий. Их число, размеры и формы зависят от типа клеток, стадии их развития, температуры, физиологических условий организма, физических упражнений, диеты и других факторов. У молодых здоровых людей разнообразие митохондрий относительное невелико [7]. Изолированные митохондрии имеют размеры схожие с бактериями (порядка 2 цт х1 цт); в клетках они выглядят как единичные гранулированные структуры, которые могут соединяться, формируя небольшие ветвящиеся образования. Маленькие размеры позволяют митохондриям транспортироваться от одной в другие клетки с помощью
транспортных тунельных нанотрубок и микровизикул. Митохондрии имеют двойную липопротеиновую мембрану. Внешняя богата холестерином, имеет мягкую консистенцию и биохимически идентична мембранам эукариотических клеток. Она служит барьером и платформой для обмена продуктов метаболизма между цитоплазмой и межмембранным пространством, защищает клетку от вредных продуктов, образующихся в митохондриях, а также бактериальных токсинов, гамма и УФЛ радиации, гипоксии, других факторов, способных вызывать повреждения мтДНК [8, 9]. Внутренняя мембрана митохондрий морфологически схожа с мембраной бактерий и богата кардиолипином (фосфоли-пид из 4-х жирных кислот). Повреждения внутренней мембраны меняют структуру митохондрий и объединяют отдельные митохондрии в единое целое [8, 10]. При выделении митохондрий из клеток часто происходит фрагментация этих органелл, сопровождающаяся изменением их проницаемости для кальция и кислорода и увеличением образования свободных радикалов [11]. Содержание и метаболическая активность митохондрий также меняется при дифференциации клеток. Так, в стволовых клетках митохондрии присутствуют в незрелой форме, их размеры уменьшены и они осуществляют преимущественно анаэробный метаболизм. При дальнейшей дифференциации содержание копий мтДНК, уровень дыхания и генерация синтеза АТФ увеличивается [12].
Генетика митохондрий.
Митохондриальный геном включает 1000-2000 клеточных ядерных генов и тысячи копий материнской наследуемой мтДНК, кодирующей наиболее важные
гены, связанные с биоэнергетикой клеток [3]. Ядерные митохондриальные гены присутствуют в клеточном хроматине, богатом гистонами. Собственный митохон-дриальный циркулярный геном (мтДНК-белковый комплекс), называемый нуклеоидом, способен частично транскрибироваться независимо от клеточного ядра. Размер митохондриального генома меньше 1% всей клеточной ДНК и составляет 16,6 кЬ (около 1000 нуклео-тидов). мтДНК не содержит интроны (introns) и кодирует 37 генов, в том числе, ответственные за синтез 13 полипептидов, участвующих в транспортной электронной цепи синтеза энергии. Для трансляции собственных белков митохондрии синтезируют две рибосомальные и 22 транспортные РНК. Ядерные и митохондриальные гены совместно участвуют в процессах транскрипции, трансляции белков и в дыхании. Эукариотические клетки способны обмениваться частью своих мтДНК. Несовместимость митохондриальных и ядерных геномов может потенциально влиять на процессы дыхания и реализации других функций клеток [2, 3, 8, 13 -16]. В мтДНК обнаружены также гены ^1НТ1 и SIRT3), ответственные за эпигенетические модификации ДНК и гистонов в эу-кариотических и прокариотических клетках [28]. Каждый михондрион может содержать 2-10 копий мтДНК. Копии митохондрий в конкретной клетке могут быть либо идентичны (гомоплазма/ homoplasmy), либо присутствуют в виде нескольких вариантов (гетероплазма/ heteroplasmy). У здоровых людей в большинстве тканей клетки имеют слабо выраженный уровень гетероплазмы митохондрий. При исследовании лейкоцитов, показано, что с возрастом количественное содержание копий митохондрий обычно увеличивается; это нередко ведет к укорочению длины теломеры [3,16-18]. У митохондрий выявлено более 1500 различных белков, которые различаются от тканевой принадлежности клеток. Большинство белков (около 90%) кодируются митохондриальны-ми генами, локализованными в ядерной ДНК [13]. Лишь небольшое количество этих белков несут каталическую функцию; две трети этих белков контролируют неизвестные функции митохондрий. В митохондриях могут присутствовать белки, проникающие в эти органеллы из цитоплазмы клеток хозяина, что увеличивает размеры митохондриального протеома [1, 3, 8, 17,19]. Наличие мутаций в мтДНК было обнаружено в 1988 году. Наследственные или приобретенные мутации в мтДНК (точечные, делеции и вставки, как в гомо-, так и гетероплазми-ческом исполнении) происходят в 100-1000 раз чаще, чем в ядерной ДНК. Большинство наследуемых нарушений в мтДНК происходит у детей младшего возраста; эти изменения позднее могут прогрессировать. У каждого из 5000 взрослых жителей Великобритании выявляются патологические мутации мтДНК. При исследовании пу-повинной крови новорожденных оказалось, что каждый из двухсот обследованных имеет до 10 схожих патогенных мутаций в мтДНК [1, 3,16, 20, 21]. ДНК-полимераза митохондрий (РоЮ) полностью различается от ДНК-полимеразы клеточного ядра. Помимо РоЮ, в митохондриях могут присутствовать полимеразы (РптРо1, Ро1В, PolZ, Ро1Н, РоЮ) ядерного происхождения, участвующие в потенциальных репликационных и восстанавливающих механизмах [19]. Появились данные, что некоторые типы гистонов могут быть обнаружены в мембранах митохондрий, хотя их количество меньше, чем в клеточном ядре. Некоторые белки выполняют в митохондрий функции, схожие с ядерными гистонами, формируя некоторый эквивалент хроматину клеточного ядра [22, 23].
В формировании митохондриального генома будущего ребенка мтДНК отца не участвует. Все мутации и нарушения в митохондриях наследуются от матери. Подобная наследуемость мтДНК и высокий уровень мутаций митохондриальных генов способствовали аккумуляции генетических вариантов внутри определенных материнских линий (известные как гаплогруппы) в географически изолированных популяциях человека при древнейших миграциях женской половины человечества [3, 20, 24]. Наследуемые матерью мутации возникают среди сотен и тысяч копий мтДНК внутри женских зародышевых клеток; каждая новая мутация приводит к смеси нормальных и мутантных мтДНК (гетероплазма). Прото-ооциты и/или ооциты, несущие серьезные мутационные изменения в мтДНК, обычно селективно элиминируются до, вовремя или вскоре после фертилизации. В результате в клетках сохраняются единичные копии измененных митохондрий. Биоэнергетические вариации в популяционных гаплогруппах, имеют важное эволюционное значение для адаптации живых организмов к изменяющимся условиям среды проживания [3, 16, 19, 20].
Эпигенетика митохондрий
Эпигенетические изменения представляют собой наследуемые изменения, не связанные с изменением последовательности нуклеотидов в составе ДНК. Эпимутации возникают в 100 раз чаще, чем генетические мутации; они возникают на ранних этапах развития организма и могут быть как случайные, так и ответом на воздействие специфических средовых факторов и агентов. Эпигеномные изменения возникают в результате ковалентного присоединения различных химических групп к ДНК, хроматину, гистоно-вым и другим белкам. Наиболее изученными биохимическими механизмами эпигенетического контроля являются ДНК и гистон-метилирование, ацетилиро-вание, биотинилирование, фосфорилирование, АДФ-рибозилирование и микро РНК - интерференция. Митохондрии активно участвуют в регулировании эпигенетических модификаций клеточного ядерного материала, модулируя экспрессию различных генов в ответе на стресс, затрагивая до 70% генов генома человека. [25, 26]. Уменьшение или увеличение количественного содержания копий мтДНК ведет к изменению метилирования ряда генов, локализованных в ядре клеток [27, 28]. Будучи важнейшим источником субстратов, кофакторов и ферментов (АТФ, ацетил-СоА, НАД+, S-аденозилметионин, изоцитрат дегидро-геназа, сукцинат дегидрогеназа, цитрат, оксиглюта-рат, фумарат, сукцинат, 2-гидроксиглютарат и другие), митоходрии активно участвуют во многих эпигенетических процессах человека. Например, повреждение митохондрий может сопровождаться снижением пула образующегося в тканях S- аденозилметионина и, как следствие, изменять метилирование ядерного генома. От количества в клетках митохондрий зависит не только синтез образующегося АТФ, но и степень активации хроматина при фосфорилировании, метилировании и ацетилировании. Обратимое фосфорилирование киназами и фосфатазами вызывает различные конформационные изменения в структурах гистонов и других белков, конечным результатом которых является активация или дезактивация многих ферментов [15]. Уровень ацетилирования гистонов регулируется количеством в клетке ацетил СоА, который образуется
из цитрата, синтезируемого митохондриями. Фума-рат, сукцинат и другие промежуточные продукты ТСА цикла в митохондриях регулируют экспрессию ядерных генов путем воздействия на активность энзимов, модифицирующих гистоны, ДНК демитилазы, пролил - гидроксилазы и другие диоксигеназы [25, 27-29]. Имеются указания, что в мтДНК также происходят некоторые эпигенетические изменения (например, метилирование цитозина) не только в клетках мозга, печени и мышц , но и в раковых клетках [30]. На поверхности наружной мембраны митохондрий обнаруживаются некоторые miRNА, синтез которых связывают с ядерными генами, но участвующих в экспрессии митохон-дриальных генов, связанных с апоптозом, клеточной пролиферацией и дифференциацией. 6 -27% miRNА, могут присутствовать в митохондриях человека [31]. Некоторые из них, как полагают, могут эпигенетически модифицировать экспрессию таких генов, которые ответственны за синтез ДНК-метилтрансфераз (DNMT1, DNMT3A) и гистон ацетилаз как в ядерной, так и в митохондриальной ДНК. Метилтрансфераза DNMT1 способна транслоцироваться в митохондрии соматических и раковых клеток, изменяя экспрессию генов в мтДНК; в условиях гипоксии активность митохондриальной DNMT1 может изменяться [27, 29, 30].
Функции митохондрий
Используя поступающие из цитоплазмы клеток разнообразные субстраты и ко-факторы, митохондрии образуют энергию за счет окислительного фосфорилиро-вания, осуществляют протекание цикла трикарбоновых кислот, а также участвуют в синтезе различных аминокислот, органических кислот, липидов, нуклеотидов, гема, кластеров сульфата железа, субстанций, участвующих в антиоксидантной защите, в регуляции иммунитета и апоптоза (Рис. 1) [1, 7, 8, 13, 16, 19, 21, 26, 28, 32, 33]. Образуемые митохондриями низкомолекулярные
биоактивные компоненты регулируют эпигенетический, метаболический, иммунный, гормональный и нейроп-сихический гомеостаз у здорового человека. При возникновении патогенных мутаций, при повреждении клеток и тканей митохондрии, их фрагменты, структурные компоненты, метаболиты и сигнальные молекулы в значительной степени определяют патофизиологию и риск многих заболеваний [1, 3, 33].
Биоэнергетическая деятельность митохондрий. Ме-таболизируя глюкозу и жирные кислоты митохондрии генерируют энергетические метаболиты (АТФ, NADH и FADH2) за счет окислительного фосфорилирования (OXPHOS). Внутриклеточное содержание АТФ может достигать миллимолярных концентраций [Zorov et al., 2014]. Известно 37 ядерных и митохондриальных генов, ответственных за функционирование OXPHOS-комплекса [34]. Для синтеза энергии митохондрии нуждаются во многих субстратах, ко-факторах и ферментах, поступающих в организм из пищевых и микробных источников. Для биоэнергетической деятельности митохондрии используют также субстраты, продуцируемые в цикле Кребса. мтДНК кодирует 13 наиболее важных OXPHOS полипептидов, среди которых семь входят в перечень 45 полипептидов OXPHOS комплекса I (ND1, 2, 3, 4, 4L, 5 и 6); один из 11 полипептидов комплекса III (цитохром b); три из 13 полипептидов комплекса IV(COI-COIII); два из 15 полипептидов комплекса V(ATP6 и ATP8). Электроны проходят через электрон транспортную цепь, локализованную на внутренней митохондриальной мембране, участвуя в серии реакций окисления/восстановления; высвобождение энергии каждый раз идет во внутреннее мембранное пространство [3, 26, 32, 33]. На основе мтДНК в 55S рибосомах клеток транскрибируются mRNA, rRNA и tRNA, участвующие в биоэнергетической деятельности. Этот процесс у митохондрий, как и у бактерий, чувствителен
Рис. 1. Митохондрии как биоэнергетическая, биосинтетическая и сигнальная машина клеток млекопитающих [33, 34].
к воздействию хлорамфеникола, тетрациклина и ами-ногликозидных антибиотиков [3, 6].
Биосинтетический потенциал митохондрий. Помимо синтеза энергии митохондрии активно участвуют в биосинтетических процессах, связанных с полипептидным, аминокислотным и жировым катаболизмом, формированием и метаболизмом мочевины, органических кислот, в биосинтезе гема, нуклеотидов, стероидов, кардиолипина, убихинона, различных метаболитов и сигнальных молекул. Митохондрии функционируют как платформа для генерации простых (содержащих один атом углерода) и сложных (содержащих два или четыре атома углерода) углеродсодержащих продуктов на основе жирных кислот, пирувата, ацетата, а-кетоглю-тарата и многих аминокислот, способных как локально, так и системно вызывать разнообразные биологические эффекты. Например, внутриклеточный глютамин широко используется в цикле Кребса в качестве субстрата. В митохондриях под действием глютаминазы эта аминокислота превращается в глютамат, который затем через серию биохимических реакций превращается в а-кетоглютарат, участвующий в цикле Кребса. При окислительном метаболизме а-кетоглютарат генерирует АТФ и различные углеродсодержащие соединения. Глютамин является также важным источником азота при биосинтезе пуринов, пиримидинов, NAD, аспарагина и глюкозамина [33]. Митохондрии используют серин, глютамин, аспарагин, глицин, метионин и бетаин в качестве источника углерода для синтеза цитрата, оксалатацетата, формата, ацетил-СоА, NAD, фо-лата, пурина, тимидина, глюкозамина и других соединений [33]. Аспартат, поступающей в организм либо из пищевых источников или формируется в митохондриях в результате трансминазной реакции оксалоацетата, также участвует в белковом и в нуклеотидном синтезе. Эффект аспартата и глютамата в митохондриях на этот метаболизм полярно противоположен [35]. При повреждение клеток, вызванных различными стрессовыми агентами и факторами, происходит высвобождение в межклеточное пространство, а затем в кровяное русло митохондриальных полипептидов, фрагментов мтДНК, кардиолипина, других продуктов распада митохондрий, описанные как молекулярные компоненты, связанные с повреждением этих органелл (DAMPs) [3].
Митохондрии как источник свободных радикалов. В процессе окислительного фосфорилирования в митохондриях происходит эндогенная продукция свободных окислительных радикалов (ROS), играющих важнейшую роль в физиологии и патологии человека (в клеточной пролиферации, дифференциации, миграции, старении клеток и их гибели, реализации иммунного ответа). В состав митохондриальных ROS входят анионный радикал (02-), гидрооксильный радикал (-ОН), нерадикальные оксиданты (перекись водорода (Н2О2), синглетный кислород (1О2), а также оксид азота (NO), пероксинитрит, липидные гидропероксиды, алкоксил радикал, перок-сил радикал-ООН, сульфат радикал -SO4 и другие. В физиологических условиях генерация и разрушение ROS в митохондриях находится под строгим контролем с использованием энзиматических и неэнзиматических реакций. Различные супероксидные дисмутазы млекопитающих (Cu- и/или ZnSOD и MnSOD, локализованные в митохондриальном межмембранном пространстве и матриксе, и Cu-и/или Zn SOD, локализованные в цитоплазматическом пространстве клетки) способны
окислять супероксиды в менее реактогенную перекись кислорода, которую глутатион пероксидаза затем превращает в молекулы воды. Избыточная продукция свободных радикалов индуцирует структурные и функциональные клеточные изменения, повреждения мембран, митохондрий, белков, нуклеиновых кислот и риск инсульта, атеросклероза, нейродегенеративных заболеваний, диабета, рака, ревматоидного артрита, ускоренного старения и других патологий. Активация проницаемости митохондриальных каналов (mPTP) играет важную роль в поддержании и развитии окислительного стресса, поскольку усиливает высвобождение ROS [3, 19, 26, 36].
Митохондрии как источник сигнальных молекул. У здоровых клеток между митохондриями и ядерным геномом существует постоянное двустороннее сигнальное информационное взаимодействие. Ядерные гены регулируют в клетках биогенез митохондрий, их количественное содержание и функциональную активность. Помимо биогенеза ядерные гены контролируют также процессы аутофагии и митофагии. Дефектные митохондрии индуцируют митофагию за счет деполиризации мембран и включения каскада реакций фосфорилирования и убиквитилирования митохондриальных белков, что сопровождается уменьшением синтеза энергии. Митохондрии являются активными участниками метаболического репрограммирования не только отдельных, но и всех клеток организма хозяина [13, 37].
Митохондрии и их участие в гомеостазе кальция. Митохондрии играют важную роль в подержании буф-ферной емкости ионов (прежде всего, ионов кальция) в цитоплазме клеток в силу их близкой локализации к кальциевым каналам. Заряженные ионы кальция, необходимы для работы многих внутренних сигнальных путей. Так, например, кальций требуется для активации пируват-, a-кетоглютарат-, изоцитрат-дегидрогеназ, участвующих в клеточной продукции АТФ. У здоровых клеток концентрация цитоплазматического кальция в митохондриях достигает до 0,1цМ. Снижение уровня ионов Са2+ подавляет активность многих энзимов, участвующих, например, в ТСА цикле. Кальций также ингибирует взаимодействие и движение митохондрий вдоль микротрубочек клеток [3, 19].
Иммунные эффекты митохондрий. Различные компоненты митохондрий (мтДНК, N-формил-ме-тиониновые белки, полипептиды, цитохром С, АТФ, кардиолипин, ROS и другие), локализованные на поверхности или секретируемые во внеклеточный ма-трикс, выступая в качестве иммуностимуляторов, могут активировать дендритные клетки и макрофаги. мтДНК и другие компоненты митохондрий (DAMPs), присутствующие во внеклеточном пространстве и биологических жидкостях организма хозяина, нередко индуцируют локальные или системные провоспали-тельные процессы. Это подтверждается появлением в сыворотке крови антимитохондриальных антител (например, антикардиолипина, антисеркозин дегидроге-назы); подобные антитела нередко обнаруживаются у больных с тяжелыми формами сепсиса и при аутоиммунных заболеваниях [3, 38, 39]. Митохондриии способны инициировать возникновение инфламмасом, активировать каспазу-1, облегчающую секрецию про-воспалительных цитокинов IL-1, IL-18 и других воспалительных медиаторов. Некоторые исследователи [40]
рассматривают мтДНК и ROS, высвобождаемые эо-зинофилами, как ключевые компоненты врожденного иммунного ответа, ответственного за антимикробную защиту хозяина. В случае серьезных повреждений при высвобождении массивных количеств митохондрий или их DAMPs отмечена индукция активации моноцитов, нейтрофилов и инфламмасом, участвующих в воспалительных пороцессах [3, 39]. Митохондрии могут также выступать в качестве мишеней патогенных бактерий (токсины А и В, образуемые C. difficile, пневмолизин, синтезируемый S. pneumonia, vac-белок Helicobacter pylori, мембранные белки энтеропатоген-ных кишечных палочек и другие) [1, 16]. Дисрегуляция митохондриальных функций, обусловленная модификацией числа копий митохондрий, нарушает структуру кишечного микробиоценоза, и позволяет бактериальным антигенам транслоцироваться в эпителиальные клетки и стимулировать иммунный ответ. Особенно четко прослежено взаимоотношение митохондрий со специфическим составом кишечной микробиоты при возникновении полиморфных мутаций в мтДНК в генах ND5, CYTB и D-Loop области [7].
Митохондрии как регуляторы апоптоза клеток млекопитающих. Некоторые бактериальные белки, могут индуцировать образование у митохондрий про-апоптотических факторов (цитохром С или белки, повреждающие митохондриальный мембранный потенциал (DCm) [41]. Токсины Listeria monocytogenes, Clostridium perfringens или пневмолизин пнвмококков вызывают модификацию гистонов (например, дефос-форилирование гистона Н3 и деацетилирование ги-стона Н4), что снижает транскрипционную активность митохондриальных генов в иммунных клетках [42].
Метаболомика митохондрий. Комплексное изучение экспериментальных мышей, которым была передана мтДНК от животных линии NZB/OlaHsd и ядерная ДНК от животных линии С57BL6, показало, что сформировавшийся комбинированный гаплотип гибридных мышей менял у них митохондриальный протеостазис, увеличивал генерацию супероксидных радикалов, продукцию инсулина, вызывал ожирение, укорочение теломер и сокращал продолжительность жизни животных по сравнению с исходными линиями [43].
Функциональное и метаболическое взаимодействие митохондрий и симбиотической микробиоты. Многообразие эффектов, вызываемых митохондриями и симбиотическими микроорганизмами, послужили основанием рассматривать «митобиоту» и «микро-биоту» как единую двухстороннюю функциональную структуру, регулирующую гомеостаз организма хозяина через биоэнергетические, эпигенетические, метаболические, эндокринные, иммунные и нейро-гу-моральные связи. Будучи результатом древнейшего эндосимбиоза эукариотических клеток, митохондрии и бактерии сохранили многие схожие характеристики [1, 39, 44]. Бактериальные и митохондриальные мембраны могут подвергаться разрушению схожими ау-тофагальными системами; рибосомы митохондрий и бактерий более схожи между собой, чем с рибосомами эукариотических клеток; они во многом совпадают по чувствительности к ряду бактерицидных антибиотиков; некоторые бактериальные белки могут проникать в митохондрии и некоторое время сосуществовать в
них. Биологически активные низкомолекулярные соединения, образуемые представителями симбиотической микробиоты и клеточными митохондриями, могут взаимодействовать со схожими клеточными рецепторами различных тканей. Бактериальные и митохондриальные ДНК могут включаться в ядерный геном хозяина. Избыточная продукция ROS митохондриями способна вмешиваться в структуру микробиоценозов кишечника и повреждать целостность эпителиального барьера пищеварительного тракта. Многие возникающие в организме человека стрессы, связанные с гиперпродукцией свободных радикалов, воспалением или метаболическими нарушениями нередко являются , результатом совместных эффектов митохондрий и микробиоты [5, 39, 44, 45]. Регуляция митохондриальных функций в различных тканях происходит не только за счет экспрессии ядерных генов митобиоты, но и поддерживается за счет дополнительного поступления в митохондрии генетической информацией из микрогенома, присутствующего на коже и различных слизистых человека. Митохондрии и симбиотическая микро-биота совместно участвуют в синтезе энергии и эпигенетической модификации микробного, ядерного и ми-тохондриального генома за счет метилирования ДНК, моделировании хроматина и экспрессии микроРНК. Митобиоту и микробиоту в последнее время рассматривают не только как единый «орган», ответственный за энергетический метаболизм человека, но и как источник большинство эндогенно образующихся ферментов, субстратов, кофакторов и регуляторов, участвующих в эпигенетических процессах митохондрий, клеточного хроматина, симбиотических и патогенных микроорганизмов [29, 46]. Исследования микробиоты и рН вагинального содержимого европейских (белых), азиатских, африканских и латиноамериканских женщин, имеющих мтДНК, принадлежащую различным митохондриальным гаплогруппам, показали, что микробиота их полового тракта заметно различалась по своему составу [24, 47]. Сопоставление мтДНК га-плогрупп жителей США и лиц, этнически считающих себя японцами, показало, что их кишечная микробиота по своей микробной структуре относилась к 1-му энте-ротипу [24]. Представленные результаты убедительно свидетельствуют о корреляции состава вагинальной и кишечной микробиоты с возникновением древнейших генетических вариантов хозяйских мтДНК (гаплогрупп и нуклеотидных полиморфизмов) в географически изолированных популяциях (расовых/этнических) человека. Однако взаимосвязь митохондриальных гаплогрупп и микробиоты кишечника не всегда четко прослеживается. Так оказалось, у детей и взрослых, проживающих в сельской местности в Венесуэле, Малавии или США, состав кишечной микробиоты был связан не только с расовой и этнической принадлежностью, но и зависел от диеты, места рождения и страны проживания [24]. Некоторые митохондриальные нарушения часто ассоциируют с повышенным уровнем инфекционных бактериальных инфекций [7, 39, 48]. Для функционирования митохондрий особенно важным является способность микробиоты образовывать такие ключевые микробные метаболиты, как короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), лактат, уролитины, сероводород, вторичные желчные кислоты. Диета способна модифицировать митохондриальные функции; при этом диетические изменения в значительной степени определяются качеством и разнообразием кишечной микробиоты хозя-
ина [39, 45, 49]. Среди КЦЖК для биоэнергетической деятельности митохондрий особую значимость имеет масляная кислота, образующаяся в результате ферментации неперевариваемых пищевых волокон (целлюлоза, ß-глюкан, ксилан, маннаны, пектины, олигосахари-ды) представителями родов Clostridium, Butyriovibrio и другими. Бутират особенно важен для синтеза энергии в митохондриях колоноцитов. Повышение содержания в пищеварительном тракте, в первую очередь, некоторых видов клостридий, увеличивает повышенную продукцию КЦЖК, что делает их потенциально токсичными в отношении митохондрий [44, 50]. С другой стороны, микробные КЦЖК способны активировать AMP-киназу, участвующую в митохондриогенезе [39]. Уролитины (dibenzo[b,d)pyran-6-one дериваты), продуцируемые лак-тобациллами, бифидобактериями [49], а также другими кишечными бактериями (Gordonibacterurolithinfaciens, G. pamelaeae) [51] из эллагиновой кислоты и эллагитанни-нов, присутствующих в определенных фруктах, ягодах и орехах, оказывают на организм благоприятные противовоспалительные, антиканцерогенные, кардио- и нейро-протективные эффекты путем стабилизации структуры, биоэнергетической и биосинтетической функций митохондрий [49]. Бутират и уролитины, продуцируемые микробиотой, принимают активное участие в метаболизме лактата и сероводорода (H2S) и снижают токсические эффекты эндотоксина на митохондрии. Повышенные концентрации H2S ингибируют цитохромоксидазу, являющейся важным участником респираторной электронной цепочки митохондрий. Напротив, снижение в клетках уровней H2S повышает активность митохондрий. Эти данные свидетельствуют, что микробиота может напрямую регулировать окислительное фосфорилирование в ко-лоноцитах кишечника [39, 45]. Взаимоотношения мито-биоты и микробиоты может оказывать выраженное влияние на терапевтические и побочные эффекты некоторых лекарственных препаратов. В качестве примера, можно привести метформин (бигуанид), широко применяемый при лечении сахарного диабета 2-го типа. Метформин улучшает содержание глюкозы в крови диабетических больных. Оказалось, что позитивные эффекты этого препарата реализуются только при предварительном взаимодействии метформина с кишечной микробиотой. Лечение метформином в течение 2-4-х месяцев увеличивало в кишечной микробиоте Bifidobacterium adolescentis и Akkermansia muciniphila. Трансплантация фекалий, взятых от мышей накануне и после 4-х месяцев назначения метформина, безмикробным мышам благоприятно влияла на содержание глюкозы в крови животных, инокули-рованных фекалиями донорских мышей. Основываясь на этих данных, было сделано заключение [52, 53], что кишечная микробиота регулирует терапевтические эффекты метформина не только у больных, страдающих сахарным диабетом, но и больных с раком. Ранее считалось, что бигуанидины в митохондриях напрямую ингибируют комплекс I в OXPHOS, изменяют окислительное фосфорилирование, снижают синтез АТФ, ROS и повышают уровень NADH. Таким образом, митобиота и микробиота, также как и их низкомолекулярные компоненты могут совместно участвовать в регуляции многих окислительных, воспалительных процессов, в пролиферации и апоптозе здоровых и больных клеток [36].
Факторы и агенты, вызывающие функциональные и мутационные нарушения митохондрий. У человека в естественных условиях в процессе дупликации и реком-
бинации мтДНК могут происходить различные точечные полиморфизмы, делеции, добавления или перестановки в генетическом материале. Митохондрии и их мтДНК не являются полностью автономными структурами клеток. Они функционируют в большинстве случаев как коллективная структура, постоянно участвующая в процессах разделения и объединения своих генетических продуктов и функций [3]. При физических, химических, биологических и психических стрессах потребности клеток в энергии резко увеличиваются, что приводит к повышению многих индуцированных стрессом энергозависимых процессов. Митохондрии очень чувствительны к воздействию эндогенных и экзогенных стрессовых факторов и агентов [50]. Дисбаланс поступления в женский организм многочисленных нутриентов, дефицит в организме энергии, субстратов и ко-факторов, повышенная аккумуляция органических кислот может нарушать функционирование клеточных митохондрий. Например, L-ацетилкарнитин может позитивно или негативно потенцировать некоторые аспекты функционирования митохондрий [3, 18, 26, 54]. Нарушение митохондриальных функций отмечается при назначении больным нестероидных противовоспалительных лекарств [55], вальпроевой кислоты (valproic acid) , ацета-минофена (acetaminophen) [56], антибиотиков (амино-гликозиды, хлорамфеникол, тетрациклины, бета-лакта-мы, хинолоны) [1, 4, 6], ингибиторов протоновой помпы. В присутствии низких концентраций этидиума бромида уменьшается содержание в культурах клеток копий мтДНК. Количественные и структурные нарушения митохондрий отмечаются при гипоксии тканей [50], при воздействии солей тяжелых металлов, пестицидов [57], при хроническом потреблении алкоголя, при хирургических манипуляциях, при метаболическом синдроме, злокачественных новообразованиях [1, 58-60], аутисти-ческом синдроме [50] .
Многие грамотрицательные (хламидии, легионел-лы, нейссерии) и грамположительные бактерии (ли-стерии, микобактерий ) и вирусы, способны проникать и размножаться в различных клетках человека [5, 39]. Некоторые из этих микроорганизмов, включая энтеро-токсины Clostridium perfringes, токсин А C. difficile могут проникать в цитоплазму клеток и взаимодействовать с ядерной и митохондриальной ДНК и индуцировать у них мутационные изменения, затрагивающие любые функции митохондрий [Frye et al., 2013. Инфицирование человека вирусом простого герпеса сопровождается резким уменьшением клеточной мтДНК [61].
Дисфункции и нарушения митобиоты как фактор риска различных заболеваний человека. Более 55 лет назад возникло научно-практическое направление, получившее название «митохондриальная медицина». В основе митохондриальных заболеваний лежат генетические изменения в генах ядерной и митохондриальной ДНК, кодирующих синтез митохондриальных белков, метаболитов и сигнальных молекул, вовлекаемых в различные функции митохондрий. Выявляемые в геноме митохондрий изменения, способные при определенных ситуациях индуцировать патофизиологические нарушения в организме человека, послужили основанием для российских исследователей предложить термин «митобиота» для митохондрий, ассоциированных с патогенезом заболеваний и ускоренного старения. Эти российские исследователи впервые экспериментально обосновали существование при некоторых митохон-
дриальных заболеваний фенотипической и генетической гетерогенности митохондрий (миторазнообразие) в отдельных клетках и органах, подвергаемых патофизиологическим нарушениям [1, 17, 62, 66].
Митохондриальные заболевания могут быть связаны с мутациями в любом из более сотен митохондриальных генов, кодируемых в ядерной и митохондриальной ДНК клеток, затрагивающих количество копий мтДНК, метаболизм и процессы репарации ядерной и митохондриальной ДНК, изменение мембранного потенциала и другие митохондриальные дисфункции. Установлены также модификации экспрессии генов в клетках млекопитающих, связанные с межгенными информационными сигналами между ядром и митохондриями. Мутационные изменения в митохондриальных генах, локализованных в ядерной ДНК, могут взаимодействовать с несовместимыми нарушениями мтДНК, способствуя возникновению патофизиологических ответов (например, нейроэндокринных, метаболических, воспалительных, транскрипционных) в клетках, тканях и организма в целом при старении и многих заболеваний. Нарушения в митохондриях уровней ацетил-СоА, сукцинил-СоА, цитрата, изоцитрата, лактата, ацетил-карнитина, а-кетоглютарата, NADH, FADH2, глюта-тиона, реактивных соединений кислорода и азота, редокс потенциала и других структурных и метаболических компонентов митобиоты мобилизуют или, напротив, нарушают интегральные стрессовые ответы и их координацию между собой [1, 3, 13, 36].
Митохондриальные дисфункции - обязательное условие патофизиологии болезней Паркинсона, Аль-цгеймера, возрастной нейродегенерации, Leigh синдрома, злокачественных новообразований [1, 13, 58, 59; 66], различных травматических нарушений,, сосудистых или травматических поражений мозговой ткани , повреждений спинного мозга , митохондриальной миопатии, диабета I и 2-го типа [1, 13, 60], болезни Крона [45], аутизма [50], инфекций, вызываемых патогенными бактериями [5]. К сожалению, диагностика митохондриальных заболеваний до настоящего времени нередко затруднена, поскольку эти заболевания клинически часто схожи с патологическими процессами, не связанными с мутациями и функциональными нарушениями митобиоты [13, 50].
Профилактика дисбаланса митобиоты
при митохондриальных заболеваниях.
Анализ представленных в настоящем обзоре материалов свидетельствует, что большинство хронических метаболических заболеваний - это мультифак-торные нарушения различных органов и тканей. Несбалансированность питания, дисбаланс микробиоты пищеварительного тракта и митобиоты хозяина можно рассматривать как ведущие экзогенные и эндогенные средовые факторы риска этих заболеваний. Возникающие молекулярные и клеточные нарушения водно-солевого, нутритивного и энергетического метаболизма, многочисленные дисфункции митохондрий и бактериальных мембран симбиотических бактерий, окислительный стресс являются пусковым фактором возникновения эпигенетических различных негативных модификаций экспрессии генов клеток хозяина, его митобиоты и микробиоты. Особенно важны эти нарушения во время беременности и в первые месяцы и годы жизни ребенка, поскольку именно в течение этих периодов жизни человека пищевой, микробный и митохондриальный дисбаланс создает негативный
эпигенетический фон для здоровья в последующие годы. Разбалансировка симбиотической системы «хозяин и его митобиота и микробиота», нередко возникающая уже в утробе матери, в последующей жизни в особенности при хронизации комплексного дефицита функциональных ингредиентов на фоне стрессовых воздействий, многократно увеличивающих энергетические и биосинтетические потребности, ведет к истощению пула стволовых клеток, ускорению клеточного старения, дефектам в процессах клеточной пролиферации и апоптоза, хроническому воспалению, повреждению межклеточной коммуникации эукариотических клеток хозяина , его митобиоты и микробиоты. Именно эти патологические нарушения обнаруживаются у всех известных «болезнях цивилизации».
Ниже будет кратко рассмотрены некоторым известные современные приемы сохранения и восстановления количественного содержания митобиоты в клетках различных тканях человека, коррекции всех или отдельных (I-V) комплексов электронной транспортной системы митохондрий, их биоэнергетического потенциала и некоторых других их функции. Врачи спортивной медицины исследуют энергетические возможности митохондрий, разрабатывая определенные физические упражнения, усиливающие выносливость и биоэнергетический потенциал митохондрий , прежде всего в мышечной ткани спортсменов, и включают в их пищевой рацион специфические витамины, аминокислоты и био-флавоноиды, поддерживающие силу и выносливость мышц, оксидантный статус, создают спортивные напитки, содержащие специфические субстраты и кофакторы, участвующие в биоэнергетических процессах и других функциях митохондрий [13, 19, 63, 64].
В восстановительной медицине митохондриаль-ным нарушениниям уделяется мало внимания, хотя физические упражнения улучшают качество жизни больных с митохондриальными заболеваниями, увеличивают образование АТФ и активность OXPHOS митохондрий [13]. Изменение калорийности пищи у больных с митохондриальной патологией требует оптимизации количества и качество потребляемых калорий. У этих больных выявлены благоприятные эффекты назначения им так называемой, кетогенной диеты с повышенным количеством жирных компонентов пищей и сниженным содержанием глюкозы. Такая диета оказывает на них благоприятное действие, поскольку стимулирует утилизацию липидов за счет митохондри-ального бета окисления и продукцию в печени кетоновых тел, стимулирует восстановление сложных дефектов в комплексе I OXPHOS, улучшает образование АТФ и ингибирует продукцию ROS. Образующиеся из такой диеты кетоны редуцируют индуцируемые глю-таматом свободные радикалы за счет увеличения отношения NAD+/HADH и усиления митохондриального дыхания [65]. Назначаемый в виде пищевой добавки а-кетоглутарат улучшает антиоксидантную способность и активирует продукцию энергию у митохондрий энтероцитов, а также способствует образованию у них глутамата. Повышение калорийности пищи, использование энтерального или внутривенного питания, увеличение частоты приема пищи позволяет дополнительно оптимизировать митохондриальное здоровье этих больных [13, 63]. В пищевые рационы подобных больных рекомендуют включать никотиновую , аскорбиновая кислоты, тиамин, рибофлавин, витамин Е, аль-фа-липоевую кислоту, NADH, ацетил- CoA, коэнзим Q,
L-аргинин, ацетил^-карнитин, сукцинат, пируват, ß-гидроксибутират, менадион, дихлорацетат, идебенон и другие субстраты или ко-факторы), способные улучшать окислительное фосфорилирование митохондрий и снижать в них уровень окислительного стресса [13, 17, 19, 28, 63]. Их назначение восстанавливает мутационные изменения в мтДНК, улучшает функционирование транспортной электронной цепочки, NAD+ редокс потенциал, увеличивает соотношение NAD+/NADH, улучшает АТФ синтез в митохондриях, снижает уровни клеточных ROS, индуцирует у пролиферирующих клеток активацию митофагии дефектных митохондрий, повышает пул пиридиновых клеточных нуклеотидов, восстанавливает активность мышечной ткани больных. Витамины с различной антиоксидантной активностью, а-липоевая кислота и амитриптилин обычно назначают больных с митохондриальными заболеваниям в виде антиокси-дантного коктейля [19]. Профилактическое/лечебное назначение больным с митохондриальными заболеваниями ¿.-аргинина уменьшает микроциркуляцию и клинические проявления повреждений, связанных с мито-хондриальными нарушениями в мозговой ткани. [13,19]. У лиц, страдающих нарушениями митохондриальных функций, часто обнаруживается дефицит карнитина в плазме крови. Поэтому больным назначают карнитин , обычно в сочетании с ^Q и вальпроевой (valproic) кислотой [13, 19]. Назначение мелатонина, обладающего антиоксидантными и противовоспалительными эффектами, оказывает позитивный эффект в отношении многих заболеваний, связанных с митохондриальными нарушениями [68]. Митохондриальные дисфункции и избыточная продукция ROS в клетках млекопитающих, вызываемые длительным назначением бактерицидных антибиотиков, могут быть восстановлены при назначении таким лицам одобренного FDA США антиоксиданта N- ацетил-/_-цистеина [4].
Недавно начались клинические исследования по применению больным с различными митохондриальными заболеваниями кишечных бактерий, способных образовывать из пищевых продуктов, содержащих эллагиттанин- и эллагиновую кислоту, биоактивных метаболитов (уролитины А, В, С и другие), с антивоспалительным, антиоксидантным, антираковым потенциалом, восстанавливающих митохондрии эпителиальных клеток кишечника и вне его [49, 51]. Установлено, что назначение L. plamntarum 10 уменьшало вес мышей, увеличивало их мышечную массу, снижало уровень лактата, мочевины, креатинкиназы и глюкозы в сыворотке крови при повышенных физических нагрузках (длительное плавание). Длительное назначение животным этого пробиотического штамма бактерий увеличивало образование энергии в мышечных клетках, стимулировало продукцию бутирата, коэнзима А и АТФ. Использование L. plantarum не только нормализовало микробную экологию кишечника животных, но и улучшало их энергетический баланс, регулировало температуру тела мышей, усиливало утилизацию глюкозы и увеличивало число мышечных фибрил в стенке кишечника [69]. Для восстановления антиоксидантной активности лиц, страдающих различными митохон-дриальными заболеваниями, рекомендуют назначать специально отобранные штаммы пробиотических микроорганизмов (Bacillus amyloliquefaciens, B. cereus, L. plantarum, L. rhamnosus, L. fermentum, L. acidophilus, L. helveticus, B. lactis, C. butyricum и другие). Антиокислительный потенциал этих пробиотиков обусловлен их
способностью захватывать ионы металлов, связанные с процессами окисления, стимулировать и регулировать сигнальные пути, участвующие в антиоксидантных системах хозяина, тормозить ферментные системы, ответственные за синтез свободных окислительных радикалов, а также восстанавливать симбиотическую микробиоту кишечного тракта [70].
Митохондриальные заболевания
и потенциальная возможность их лечения
с использованием искусственного
переноса митохондрий.
Молекулярным приемом восстановления митохондриального метаболомного дисбаланса может стать элиминация дефектных мтДНК и удаление из клеток поврежденных копий мтДНК (глобальная фрагментация дефектных митохондриальных популяций). Для удаления дефектных митохондрий использовали очищенные ми-тофагальные лизосомальные клеточные ферменты [66].
В последние годы в митохондриальной медицине все чаще обсуждается, так называемая, трансплантация митохондрий и/или их структурных компонентов, позволяющая удалять поврежденные и дисфункциональные митохондрии путем их замены здоровыми ми-тохондриямий [8, 19, 21].
В 1982 году впервые был осуществлен искусственный перенос митохондрий (ИПМ) с использованием бактериальных генов антибиотикорезистенности, позволяющих отселектировать на селективной среде рекомбинантные клетки, воспринявшие одновременно как митохондриальные гены, так и бактериальные гены устойчивости к антибиотикам. ИПМ восстанавливал и увеличивал дыхание, пролиферацию и другие клеточные процессы у рекомбинантных клеток, воспринявших неповрежденные митохондрии [21, 67, 71, 72]. Позднее ИПМ был продемонстрирован и в исследованиях на культурах клеток и на модельных экспериментальных животных в том числе с использованием таких технологических приемов, как совместное культивирование клеток, межклеточный контакт одной клетки с другой, путем цитоплазматического слияния, перенос митохондрий и фрагментов мтДНК через нанотуболяр-ные структуры, микрововезикулы, с использованием микроинъекций митохондриальной ДНК и ее фрагментов. Различия между ядерным и митохондриальным геномами могут быть важным фактором несовместимости при авто, алло и ксеногенном ИПМ [8,19, 21, 67, 72]. Технологии переноса митохондриального ядерного генетического материала не нашли пока клинического применения при использовании соматических клеток, или клеток лиц, имеющих мтДНК-заболеваний [21]. Клетки, получавшие при искусственном переносе генетически измененные митохондрии, могли передавать эти нарушения потомству через ооцит. Для успешной трансформации в смесь реципиентных клеток и донорской мтДНК рекомендуют вносить дополнительно ури-дин, пируват, малат и сукцинат; перенос митохондрий лучше осуществлялся в условиях комнатной или низкой температуры (4оС) [19]. Первые попытки изменения генотипа мтДНК у ооцитов человека показали, что 20% цитоплазмы ооцитов, взятых от одной молодой женщины могли быть перенесены в ооцит другой пожилой женщины (одновременно в реципиентный ооцит осуществляли интрацитоплазматическую инъекцию спермы мужа этой женщины). Полученный рекомбинантный эмбрион был имплантирован в матку реципиентной женщины.
Предложенная технология позволила осуществить возможность ряду женщин с фертильными нарушениями родить здоровых детей. У этих детей в клетках выявлено наличие двух типов мтДНК ( как материнской, так и донорской) [3]. В настоящее время установлено, что искусственный перенос здоровых митохондрий в поврежденные клетки или ткани позволяет излечивать митохондриальные заболевания [8, 19]. Великобритания в настоящее время является единственной страной, в которой использование технологии искусственного переноса митохондрий легально разрешено в качестве медицинской процедуры при тех или иных митохондриальных заболеваниях [75].
Для восстановления мутационных изменений в мтДНК определенное внимание уделяют использованию ДНК-энзимов. Ограничение их применения для восстановления нарушений митохондриального генома является отсутствие сегодня рестрикционных энзимов с селективной специфичностью [Reddy et al, 2015]. Предложено для расщепления или восстановления мтДНК использовать недавно обнаруженную CRISPR-Cas9 нуклеазу, способную селективно расщеплять и контролировать последовательности различных ДНК и РНК [74].
Обсуждение и заключение.
Представленные в данном обзоре материалы свидетельствуют, что митохондрии - это не просто фабрика для производства энергии и источник различных биосинтетических и сигнальных субстанций. Их потенциал может быть успешно использован для профилактических и терапевтических целей, в так называемой «митохондриальной медицине» [8, 19]. Внедрение в медицинскую практику знаний о взаимоотношениях митобиоты и микробиоты млекопитающих позволяет
лучше понять роль многих низкомолекулярных микробных и митохондриальных молекул (энзимы, кофакторы, субстраты, регуляторные ингибиторы и активаторы и другие) в развитии биоэнергических и биосинтетических клеточных процессов, в контроле окислительного стресса, иммунных ответов, роста и адгезии патогенов и симбиотических микроорганизмов в пищеварительном тракте, модификации метаболизма хозяина в тех или иных условиях. Мутационные и функциональные митохондриальные нарушения могут играть важную роль в регуляции различных функций пищеварительного тракта и в изменении состава кишечной микробиоты. В свою очередь, структура кишечной микробиоты и продуцируемые микроорганизмами низкомолекулярные биологически активные соединения способны существенно влиять на содержание митохондрий, их форму, размеры и функции.
Лишь с использованием интегрального подхода (клинического, гистопатологического, метаболического микроэкологического, генетического и эпигенетического) можно разрабатывать индивидуальные технологии профилактики и лечения больных, страдающими патологиями митохондриального генеза. При этом следует помнить, что такие больные нуждаются в комбинации различных добавок и лекарственных средств, имеющих определенные специфические мишени [13]. Перенос изолированных митохондрий с использованием различных приемов инкубации донорских и реципиентных клеток позволяет успешно осуществлять интеграцию внесенных мтДНК в клетки. Искусственный перенос митохондрий в ближайшей перспективе может стать важным терапевтическим приемом коррекции митохондриальных дефектов различных метаболических заболеваний, связанных с биоэнергическими и эпигеномными нарушениями.
REFERENCES
1. Zorov DB, Plotnikov EY, Silachev DN, Zorova LD, Pevzner IB, Zorov SD, Babenko BA, Jankauskas SS, Popkov VA, Savina PS. Microbiota and Mitobiota. Putting an Equal Sign between Mitochondria and Bacteria. Biochemistry (Moscow) 2014; 79 (10): 1017-31
2. Krasich R, Copeland WC. DNA polymerases in the mitochondria: A critical review of the evidence. Front Biosci (Landmark Ed) 2017; 22: 692-709
3. Wallace DC, Chalkia D. Mitochondrial DNA genetics and the hetertoplasmy conundrum in evolution and disease. Cold Spring Harb Perspect Biol 2013; 5: a021220
4. *Kalghatgi S, Spina CS, Costello JC, Liesa M, Morones-Ramirez JR, Slomovic S, Molina A, Orian S, Shirihai OS, Collis JJ. Bactericidal antibiotics induce mitochondrial dysfunction and oxidative damage in Mammalian cells. Sci Transl Med 2013; 5: 192ra85. Doi: 10.1126/scitranslmed.3006055
5. Lobet E, Letesson JJ, Arnould T. Mitochondria: a target for bacteria. Biochem Pharmacol 2015; 94(3): 173-85
6. Moullan N, Mouchiroud L, Wang X, Ryu D, Williams EG, Mottis A, Jovaisaite V, Frochaux MV, Quiros PM, Deplancke B, Houtkooper RH. Tetracyclines Disturb Mitochondrial Funcrion across Eukaryotic Models: A Call for Caution in Biomedical Research. Cell Reports 2015; 10: 1681-91. http://dx.doi. org/10.1016/j.celrep.2015.02.034
7. Clark A, Mach N. Mitochondria, Microbiota, and Endurance Exercise compounds. Gastroenterol. Res. Pract. 2015: e398585. doi: 10.1155/2015/ 398585
8. Caicedo Andrs, Pedro M. Aponte, Francisco Cabrera, Carmen Hidalgo, Khoury Maroun. Artificial Mitochondria Transfer: Current Challenges, Advances, and Future Applications. Stem Cells International Volume 2017, Article ID 7610414, https://doi.org/10.1155/2017/7610414
9. Pernas L, Scorrano L. Mito-morphosis: mitochondrial fusion, fission, and cristae remodeling as key mediators of cellular function. Ann Rev Physiol 2016; 78 (1): 505-31
10. Stewart JB, Alaei-Mahabadi B, Sabarinathan R, Samuelsson T, Gorodkin J, Gustafsson CM, Larsson E. Simultaneous DNA and RNA mapping of somatic mitochondrial mutations across diverse human cancers. PLoS Genet 2015; 11: e1005333
11. Picard M, Taivassalo T, Ritchie D, Wright KJ, Thomas MM, Romestaing C, et al. Mitochondrial Structure and Function Are Disrupted by Standard Isolation Methods. PLoS ONE 2011; 6(3): e18317. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018317
12. Hou Y, Wang L, Ding B, Liu Y, Zhu H, Liu J, et al. Alpha-Ketoglutarate and intestinal function. Front Biosci (Landmark Ed) 2011; 16: 1186-96
13. Khan N A, Govindaraj P, Meena A K, Thangaraj K. Mitochondrial disorders: challenges in diagnosis & treatment. Indian J Med Res 2015; 141(1): 13-26
14. Hayakawa K, Esposito E, Wang X, Terasaki Y, Liu Y, Xing C, Ji X, Lo EH. Transfer of mitochondria from astrocytes to neurons after stroke. Nature 2016; 535 (7613): 551-5
15. Muir R, Diot A, Poulton J. Mitochondrial content is central to nuclear gene expression: Profound implications for human health. BioEssays 2016; 38(2): 150-6
16. Torralba D, Baixauli F, S nchez-Madrid F. Mitochondria know no boundaries: mechanisms and functions of intercellular mitochondrial transfer. Frontiers in Cell and Development Biology 2016; 4: 107 dou:10.3389/fcell.2016.00107
17. Zorov DB, Isaev NK, Plotnikov EY, Silachev DN, Zorova LD, Pevzner IB, Morosanova MA, Jankauskas SS, Zorov SD, Babenko BA. Perspectives of Mitochondrial Medicine. Biochemistry (Moscow) 2013; 78(9): 979-990
18. Picard M, Wallace D C, Burelle Y. The rise of mitochondria in medicine. Mitochondrion 2016; 30: 105-116
19. Gollihue JL, Rabchevsky AG. Prospects for therapeutic mitochondrial transplantation. Mitochondrion 2017; 35: 70-9
20. Wallace DC. Mitochondrial DNA in evolution and disease. Nature 2016. Doi: 10.1038/nature18902
21. Patananan AN, Wu T-H, Chiou P-Y, Teitell MA. Modifying the mitochondrial genome. Cell Metabolism 2016; 23(5): 785-96. doi:10.1016/j. cmet.2016.04.004
22. Choi YS, Hoon Jeong, Min HK, Jung HJ, Hwang D, Lee SW, Kim PY. Shot-gun proteomic analysis of mitochondrial D-loop DNA binding proteins: identification of mitochondrial histones. Molecular bioSystems 2011; 7(5): 1523-36
23. Manev H, Dzitoyeva S, Chen H. Mitochondrial DNA: A Blind Spot in neuroepigenetics. Biomolecular concepts 2012; 3(2): 107-15
24. Ma J, Coarfa C, Qin X, Bonnen P E, Milosavljevic A, Versalovic J, et al. mtDNA haplogroup and single nucleotide polymorphisms structure human microbiome communities. BMC Genomics 2014; 15: 257. doi: 10.1186/1471-2164-15-257
25. Neis EPJG, Dejong CHC, Rensen SS. The Role of Microbial Amino Acid Metabolism in Host Metabolism. Nutrients 2015;7(4):2930-2946. doi:10.3390/ nu7042930
26. Picard M, McManus MJ, Gray JD, Nasca C, Moffat C, Kopinski PK, Seifert EL, McEwen BS, Wallace DC. Mitochondria functions modulate neuroendocrine, metabolic, inflammatory, and transcriptional responses to acute psychological stress. PNAS 2015; November 16; 6614-6623. www.pnas. org/cgi/doi/10.1073/pnas.15157333112
27. Castegna A, lacobazzi V, Infantino V. The mitochondrial side of epigenetics. Physiol Genomics 2015; 47: 299-307
28. Song SB, Jang S-Y, Kang HT, Wei B, Jeoun U, Yoon GS, Hwang ES. Modulation of mitochondrial membrane potential an ROS generation by nicotinamide in a Manner Independent of SIRT1 and Mitophagy. Mol Cells 2017; 40(7): 503-14
29. Shenderov BA. The microbiota as an epigenetic control mechanism. Chapter 11. In: The Human Microbiota and Chronic Disease: Dysbiosis as a Cause of Human Pathology, First Edition. Eds. Luigi Nibali and Brian Henderson. 2016 by John Wiley & Sons, Inc. 179-197
30. Wong M, Gertz B, Chestnut BA, Martin LJ. Mitochondrial DNMT3A and ANA methylation in skeletal muscle and CNS of transgenic mouse models of ALS. Front cell neuroscience. 2013; 7: 279. doi: 10.3389/fncel.2013.00279
31. Barrey E , Saint-Auret G , Bonnamy B , Damas D , Boyer O, Gidrol X . Pre-micro RNA and mature micro RNA in human mitochondria. PLoS One. 2011; 6: e20220
32. Wallace DC. Mitochondrial DNA variation in human radiation and disease. Cell 2015; 163(1): 33-8. doi: 10.1016/j.cell.2015.08.067
33. Zong W-X, Rabinowitz JD, White E. Mitochondria and cancer. Molecular Cell 2016; 61. March 3. http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2016.02.011
34. Wallace DC. The epigenome and the mitochondrion: bioenergetics and the environment. Gen Dev 2010; 24: 1571-3
35. Birsoy K, Wang T, Chen WW, Freinkman E, Abu-Remaileh M, Sabatini, D.M. An essential role of the mitochondrial electron transport chain in cell proliferation is to enable aspartate synthesis. Cell 2015; 162: 540-51
36. Zorov DB, Juhaszova M, Sollott SJ. Mitochondrial reactive oxygen species (ROS) and ROS-induced ROS release. Physiol Rev 2014; 94(3): 909-50
37. Chandel NS. Evolution of mitochondria as signaling organelles. Cell Metab 2015; 22: 204-6
38. Walker MA, Volpi S, Sims KB, Walter JE, Traggiai E. Powering the immune system: mitochondria in immune function and deficiency. J Immunol Res. 2014; 2014:164309. doi: 10.1155/2014/164309.
39. Saint-Georges-Chaumet Y, Edeas M. Microbiota-mitochondria inter-talk: consequence for microbiota-host interaction. Pathogens Dis 2016; 74: ftv096. doi: 10.1093/femspd/ftv096
40. Unuma K, Aki T, Funakoshi T, Hashimoto K, Uemura K. Extrusion of mitochondrial contents from lipopolysaccharide-stimulated cells: involvement of autophagy. Autophagy 2015; 11 (9): 1520-36
41. Kozjak-Pavlovic V, Ross K, Rudel T. Import of bacterial pathogenicity factors into mitochondria. Curr Opin Microbiol 2008; 11(1): 9-14
42. Hamon Me'lanie Anne, Eric Batsche', Beatrice Re'gnault, To Nam Tham, Ste'phanie Seveau, Christian Muchardt, Pascale Cossart. Histone modifications induced by a family of bacterial toxins. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104: 13467-472
43. Latorre-Pellicer A, Moreno-Loshuertos R, Lechuga-Vieco AV, F tima S nchez-Cabo, Torroja C, Ac n-P rez Rebeca, Calvo E, Aix E et al. Mitochondrial and nuclear DNA matching shapes metabolism and healthy ageing. Nature 2016. doi: 10.1038/nature18618
44. Mach N, Fuster-Botella D. Endurance exercise and gut microbiota: A review. J Sport Health Science 2017; 6: 179-97. http://dx.doi.org/10.1016/j. shs.2016.05.001
45. Mottawea W, Chiang C-K, M hlbauer M, Starr A E, Butcher J, Abujamel T, Deeke SA et al. Altered intestinal microbiota-host mitochondria crosstalk in new onset Crohn's disease. Nat. Commun 2016; 7: 13419. doi: 10.1038/ncomms13419
46. Shenderov BA, Midtvedt T. Epigenomic programing: a future way to health? Microb Ecol Health Dis 2014; 25: 24145. http://dx.doi.org/10.3402/mehd. v25.24145
47. Ravel J, Gajer P, Abdo Z, Schneider GM, Koenig SSK, McCulle L, Karlebach S, Gorle R, Russell J, Tacket CO, Brotman RM, Davis CC, Ault K, Peralta L, Forney LJ. Vaginal microbiome of reproductive-age women. PNAS 2011; 108. suppl 1: 4680-87.www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1002611107
48. Franco-Obregon A, Gilbert JA. The Microbiome-Mitochondrion connection: Common Ancestries, Common Mechanisms, Common Goals. mSys-tems 2017; 2(3): e00018-17 https://doi.org/10.1128/mSystems.00018-17
49. Espin JC, Gonzalez-Sarrias A, Tomas-Barberan FA. The gut microbiota: A key factor in the therapeutic effects of (poly) phenols. Biochem Pharmacol 2017; 139: 82-93. doi: 10.1016/j.bcp.2017.04.033
50. Frye GJ, Rose S, Slattery J, MacFabe DF. Gastrointestinal dysfunction in autism spectrum disorder: the role of the mitochondria and the enteric microbiome. Microb Ecol Health Dis 2015; 26: 27458. http://dx.doi.org/10.3402/mehd.v.26.27458
51. Selma MV, Beltran D, Luna MC, Romo-Vaquero M, Garcia-Villalba R, Mira A, Espin JC, Tomas-Barberian FA. Isolation of human Intestinal Bacteria Capable of producing the bioactive metabolite isourolithin A from Ellagic Acid. Front Microbiol 2017; 8. doi: 10.3389/fmicb.2017.01521
52. Birsoy K, Possemato R, Lorbeer FK, Bayraktar EC, Thiru P, Yucel B, Wang T, Chen WW, Clish CB, Sabatini DM. Metabolic determinants of cancer cell sensitivity to glucose limitation and biguanides. Nature 2014; 508, 108-12
53. Wu H, EsteveE, Tremaroli V, Khan MT, Caesar R, Manneras-Holm L et al. Metformin alters the gut microbiome of individuals with treatment-na ve type 2 diabetes, contributing to the therapeutic effects of the drug. Nat Med 2017; 23(7): 850-58. doi; 10.1038/nm.4345
54. Nasca C, Xenos D, Barone Y, Caruso A, Scaccianoce S, Matrisciano F, Battaglia G, Mathe AA, Pittaluga A, Lionetto L, Simmaco M. L-acetylcarnitine causes rapid antidepressant effects through the epigenetic induction of mGlu2 receptors. PNAS 2013; 110(12): 4804-9
55. Boelsterli UA, Redinbo MR, Saitta KS. Multiple NSAID -induced hits injure the small intestine: underlying mechanisms and novel strategies. Toxicol Sci. 2013; 131(2): 654-67. doi: 10.1093/toxsci/kfs310.
56. Bauer AZ, Kriebel D. Prenatal and perinatal analgesic exposure and autism: an ecological link. Environ Health 2013; 12: 41. doi: 10.1186/1476-069X-12-41
57. Bhonchal S, Nain CK, Prasad KK, Nada R, Sharma AK, Sinha SK, et al. Functional and morphological alterations in small intestine mucosa of chronic alcoholics. J Gastroenterol Hepatol 2008; 23: Suppl 2: 278-85. doi: 10.1111/j.1440-1746.2008.05415.x.
58. Senft D, Ronai ZA. Regulators of mitochondrial dynamics in cancer. Curr Opin Cell Biol 2016; 39: 43-52. doi: 10.1016/j.ceb.2016.02.001
59. Bordi M, Nazio F, Campello S. The Close Interconnection between Mitochondrial Dynamics and Mitophagy in cancer. Front Oncol 2017; 7. doi:10.3389/ fonc.2017.00081
60. Karaa A, Goldstein A. The spectrum of clinical presentation, diagnosis, and management of mitochondrial forms of diabetes. Pediatr Diabetes 2015;16(1):1-9. doi: 10.1111/pedi.12223.
61. Saffran HA, Pare JM, Corcoran JA, Weller SK, Smiley JR. Herpes simplex virus eliminates host mitochondrial DNA. EMBO Rep. 2007; 8: 188-93
62. Popkov VA, Plotnikov EY, Lyamzaev KG, Silachev DN, Zorova LD, Pevzner IB, Jankauskas SS, Zorov SD, Babenko VA, Zorov DB. Mitodiversity. Biochemistry (Moscow) 2015; 80(5): 532-41
63. Parikh S, Saneto R, Falk MJ, Anselm I, Cohen BH, Haas R. A modern approach to the treatment of mitochondrial disease. Curr Treat Options Neurol 2009; 11(6): 414-30
64. Jin H, Kanthasamy A, Ghosh A, Anantharam V, Kalyanaraman B, Kanthasamy AG. 2014. Mitochondria-targeted antioxidants for treatment of Parkinson's disease: preclinical and clinical outcomes. Biochim Biophys Acta 2014; 1842: 1282-94
65. Hughes SD, Kanabus M, Anderson G, Hargreaves IP, Rutherford T, O'Donnell M, et al. The ketogenic diet component decaboic acid increases mitochondrial citrate synthase and complex I activity in neuronal cells. J Neurochem 2014; 129: 426-33
66. Popkov VA, Plotnikov EYu, Zorova LD, Pevzner IB, Silachev DN, Babenko VA, JanKauskas SS, Zorov SD, Zorov DB. Quantification od Mitochondrial Morphology in situ. Cell and Tissue Biology 2017; 11(1): 51-8
67. Sinha P, Islam M N, Bhattacharya S, Bhattacharya J. Intercellular mitochondrial transfer: bioenergetic crosstalk between cells. Current Opinion in Genetics & Developments 2016; 38: 97-101
68. Acuna-Castroviejo D, Escames G, Venegas C, Diaz-Casado ME, Lima-Cabello E, Lopez LC., et al. Extrapineal melatonin: sources, regulation, and potential functions. Cell Mol Life Sci 2014; 71: 2997-3025
69. Chen Y-M, Wei Li, Chiu Y-Sh, Ysu Y-Ju, Tsai T-Yu, Wang M-F, Huang C-C. Lactobacillus plantarum TWK10 Supplementation Improves Exercise Performance and Increases Muscle Mass in Mice. Nutrients 2016; 8: 205. doi:10.3390/nu8040205
70. Wang Y, Wu Y, Wang Y, Xu H, Mei X, Yu D, Wang Y, Li W. Antioxidant Properties of Probiotic Bacteria. Nutrients 2017; 9: 521. doi:10.3390/nu9050521
71. Wu TH, Sagullo E, D. Case D, Zheng X, Li Y, Hong JS, TeSlaa T, Patananan AN, McCaffery JM, Niazi K, Braas D, Koehler CM, Graeber TG, Chiou PY, Te-itell MA. Mitochondrial transfer by photothermal nanoblade restores metabolite profile in mammalian cells. Cell Metabolism 2016; 23(5): 921-29
72. Kesner E E, Saada-Reich A, Lorberboum-Galski H. Characteristics of mitochondrial transformation into human cells. Scientific Reports 2016; 6. doi :10.1038/srep26057;
73. Reddy P, Ocampo A, Suzuki K, Luo J, Bacman SR, Williams SL, Sugawa A, Okamura D, Tsunekawa Y, Wu J, et al. Selective elimination of mitochondrial mutations in the germline by genome editing. Cell 2015; 161: 459-469
74. Hashimoto M, Bacman SR, Peralta S, Falk MJ, Chomyn A, Chan DC, Williams SL, Moraes CT. MitoTALEN: A general approach to reduce mutant mtDNA loads and restore oxidative phosphorylation function in mitochondrial diseases. Mol Ther 2015; 23: 1592-99
75. Schandera J., T. K. Mackey. Mitochondrial replacement techniques: divergence in global policy. Trends in Genetics 2016; 32(7): 385-90
РЕЗЮМЕ
Клетки взрослого человека содержат до 1016 митохондрий, играющих фундаментальную роль в генерации 90% клеточной энергии (АТФ) за счет трансформации энергетических субстратов в присутствии кислорода. Одновременно в митохондриях формируются различные деструктивные окислительные радикалы. Митохондрии также активно участвуют в метаболизме кальция, в реализации устойчивости клеток к действию различных стрессовых агентов, в пролиферации и апоптозе клеток, инициируют воспаление, осуществляют синтез, внутри- и межклеточный перенос сигнальной информации и множество других функций. Митохондриальные белки кодируются генами, локализованными как в ядерной, так и в митохондриальной ДНК (мтДНК). Многообразие эффектов, вызываемых митохондриями, послужили основанием рассматривать «митобиоту» и микробиоту как единую функциональную структуру, регулирующую гомеостаз организма хозяина через биоэнергетические, эпигенетические, метаболические, эндокринные, иммунные и нейро-гуморальные связи. Нарушения количества, генетической целостности, ультраструктурные изменения митохондрий и их гомеостаз связывают со многими метаболическими заболеваниями и ускоренным старением. Для их профилактики и лечения используют различные функциональные продукты питания, диетические и молекулярные приемы (микроинъекция митохондриальных субъединиц, объединение ци-топлазматических органелл, перенос фрагментов мтДНК и ядерной ДНК в здоровые или больные клетки, использование специфических эндонуклеаз и так далее).
Ключевые слова: митохондрии, генетика, эпигенетика, митохондриальные функции, митохондриальная медицина, диета, функциональные нутриенты, молекулярная коррекция, искусственный перенос митохондрий
ABSTRACT
Cells of adult human contain up to 1016 mitochondria, which play a fundamental role in the generation of 90% of cellular energy (ATP) through the transformation of energy substrates in the presence of oxygen. Simultaneously, the mitochondria produce various destructive oxidative radicals and actively involved in the metabolism of calcium, in the implementation of the cells' tolerance to different stress agents, in the proliferation and apoptosis of cells, initiate inflammation, in the synthesis, intra- and intercellular transfer of signal information and in many other functions. Mitochondrial proteins are encoded by genes localized both in nuclear and in mitochondrial DNA (mtDNA). The variety of effects produced by mitochondria have served as the basis to consider "mitobiota" and "microbiota" as a united whole functional structure that regulates homeostasis of the host organism via bioenergy, epigenetic, metabolic, endocrine, immune and neuro-humoral communication. Violations of the number, ultrastructural changes, genetic integrity, of mitochondria and disorder of their homeostasis are associated with many metabolic diseases and accelerated aging. To prevent and treatment mitochondria-associated disturbances and diseases many functional foods, diets and molecular techniques have been suggested.
Keywords: mitochondria, genetics, epigenetics, mitochondrial functions, mitochondrial medicine, diet, functional nutrients, molecular correction, artificial transfer of mitochondria
Контакты:
Шендеров Б.А. E-mail: [email protected]
