CC BY
64
ОБЗОРЫ И ЛЕКЦИИ
I ]■ IT. J
© Е. С. Алексеевская, 2013 г. УДК 576.311.347-053
Е. С. Алексеевская
ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИТОХОНДРИЙ
Отдел биохимии НИЦ Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени академика И.П. Павлова; Федеральный центр сердца, крови и эндокринологии имени В. А. Алмазова, Санкт-Петербург
В условиях патологического процесса на уровне метаболизма митохондрий происходят ключевые изменения, позволяющие клеткам выжить [1, 5]. Состояние биоэнергетики клетки определяет путь ее гибели — энергозависимый процесс апоптоза, реализуемый с участием апоптогенных белков митохондрий, или некроз в случае полного истощения запасов АТФ. Повышение образования активных форм кислорода (АФК) наблюдается при многих патологических состояниях, а также при старении организма. Повреждающее действие АФК на все компоненты клетки, в частности, на ДНК, определило появление митохондриальной теории старения [20, 36, 44].
Снижение функции митохондрий с возрастом продемонстрировано во многих исследованиях. Активность ферментов окислительного фосфори-лирования снижается с возрастом в тканях человека и животных и коррелирует с накоплением соматических мутаций мтДНК [4, 8, 32]. Показано, что митохондриальная дисфункция (МД) у лиц старше 55 лет может прогрессировать также за счет нарушений анаплеротического пути, протекающего с образованием метилмалоновой кислоты. При описании системных митохондриальных нарушений, зависящих от активности метилмалонил-СоА-мута-зы, ее кофермента аденозилкобаламина и факторов его переноса в митохондрии, авторами введено понятие «анаплеротической МД» [2, 3].
Данный обзор посвящен некоторым механизмам изменения функции митохондрий с возрастом.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ИЗМЕНЕНИЯ ФУНКЦИИ МИТОХОНДРИЙ С ВОЗРАСТОМ
Как известно, лишь небольшая часть митохонд-риальных белков кодируется митохондриальным геномом. Более того, в ядерной ДНК кодируются не только структурные белки, ферменты и компоненты дыхательной цепи митохондрий, но факторы транскрипции митохондриального генома. Это означает, что для нормального функционирования митохондрий большое значение имеет ядерно-ми-тохондриальный эпистаз. Взаимодействие ядра
и митохондрий не ограничивается только ортоград-ной сигнализацией (от ядра к митохондриям), но включает и различные ретроградные митохондри-альные (от митохондрий к ядру) сигнальные и метаболические пути [15, 47].
К факторам ретроградной митохондриальной сигнализации относят соотношения в клетке НАД+/ НАДН и АДФ/АТФ, концентрацию свободного Са2+ в цитозоле и окислительный стресс. Увеличение отношения НАД+/НАДН, как полагают, приводит к активации НАД+-зависимой ядерной деацетилазы из семейства сиртуинов (ген SIRT1), которая может де-ацетилировать и, таким образом, активировать PGC-1 а (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivatorl-alpha — 1-альфа коактиватор гамма-рецептора, активирующего пролиферацию перокси-сом), регулирующего функции и биогенез митохондрий. Повышение соотношения АДФ/АТФ активирует АМФ-зависимую протеинкиназу (АМРК), которая путем фосфорилирования активирует PGC-1 а и ин-гибирует mTORC1 (мультимолекулярный сигнальный комплекс 1, имеющий в составе киназную субъединицу mTOR — mammalian target of rapamycin — мишень для рапамицина млекопитающих). Кальций может стимулировать активность пируватдегидро-геназного комплекса и двух ферментов — а-кетоглу-таратдегидрогеназы и изоцитратдегидрогеназы — цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), что приводит к увеличению транспорта электронов по дыхательной цепи. Повышение концентрации цитозольного Ca2+ запускает сигнальный каскад, который увеличивает фосфорилирование транскрипционного фактора CREB ^АМР response element-binding protein), стимулируя его способность активировать транскрипцию гена PGC-1 а. Кальций необходим также для синтеза моноксида азота NO, а NO, в свою очередь, может ингибировать цитохромоксидазу дыхательной цепи, приводя к утечке электронов из дыхательной цепи. Концентрация ацетил-КоА влияет на экспрессию ядерных генов путем ацетилирования гистонов и негистоновых белков.
Каждый из этих процессов может выступать в качестве источника сигнальных молекул, влияющих на изменение с возрастом функционирования митохондрий.
РОС-1а, Активация PGC-^ в эксперименте на мышах индуцировала экспрессию генов окислительного фосфорилирования и митохондриального биогенеза, в результате чего увеличивался размер митохондрий, их количество и окислительный потенциал [31]. Показано снижение при старении экспрессии генов PGC-^ в скелетной мускулатуре у животных [15]. Уровень PGC-^ у человека снижается при некоторых формах сердечной недостаточности, что приводит к угнетению окисления жирных кислот и повышает зависимость миокарда от окисления глюкозы [24, 25].
SIRT1. О роли SIRT1 в регуляции энергетического обмена свидетельствуют эксперименты на трансгенных животных. Митохондрии, выделенные из печени нокаутных по SIRT1 мышей, имели более низкие показатели дыхания и продукции АФК [10].
Ресвератрол — природный полифенол — является активатором SIRT1. В эксперименте ресвератрол увеличивал выживаемость мышей на высококалорийной диете, хотя и не приводил к увеличению продолжительности жизни мышей на стандартном рационе питания. В ходе клинических исследований обнаружено, что ресвератрол уменьшает выраженность некоторых проявлений старения организма, в том числе катаракты, потери координации движений, снижения минеральной плотности костной ткани [7, 40]. В качестве SIRT1-активирующего фактора ресвератрол уменьшает степень ацетилирования PGC-1a, обеспечивая тем самым потенциальный механизм увеличения числа митохондрий [7].
Метаанализ функциональных генных полиморфизмов другого представителя семейства сиртуи-нов — SIRT3 — выявил, что один из них связан с долголетием среди итальянских, французских и немецких долгожителей [34].
mTOR. У млекопитающих mTOR входит в состав двух различных комплексов — mTORC1 и mTORC2. Через различные пути mTORC1 оказывает влияние на рост клеток, синтез и деградацию белка, биогенез рибосом и аутофагию. mTORC2 регулирует рост, пролиферацию и выживание клеток, хотя на сегодняшний день единственной известной мишенью для mTORC2 является Akt [18]. Ингибирова-ние mTORC1 рапамицином снижает активность гликолиза и повышает окисление жирных кислот в клетках скелетных мышц, а также ингибирует их синтез в гепатоцитах млекопитающих [12, 43].
Мутации в генах mTOR, как и фармакологическое ингибирование mTOR у дрожжей, червей и мух приводят к увеличению продолжительности жизни [22, 28, 48]. Однако у млекопитающих ингибирование активности mTOR имеет фатальные последствия. Делеции генов mTOR у мышей приводят к эмбриональной гибели или к преждевременной смерти в возрасте от 4 до 7 месяцев [16, 17]. Интересно, что у данных мышей зафиксировано уменьшение окислительного потенциала и снижение экспрессии генов PGC-1a [9].
АМФ-зависимая протеинкиназа (AMPK). Функционирование AMP-зависимых протеинкиназ зависит от внутриклеточного соотношения АМФ/ ATФ, что позволяет данным ферментам выступать в качестве индикаторов энергетического статуса клетки.
Стимулирование активности AMPK индуцирует транскрипцию генов-мишеней PGC-1a в клетках
скелетных мышц [33]. АМРК непосредственно фос-форилирует PGC-1 а, повышая его активность и запуская тем самым каскад транскрипции генов, участвующих в биогенезе митохондрий [27]. Кроме того, АМРК может регулировать активность mTOR на нескольких уровнях: АМРК может фосфорилировать и ингибировать mTOR напрямую или же активизирует ингибитор mTOR [19, 26]. Показано уменьшение активности АМРК с возрастом в скелетных мышцах крысы, и что это снижение связано с ростом резистентности к инсулину [37, 41].
Моноксид азота (NO). N0 синтезируется из аргинина N0-синтазой, представленной несколькими изоформами: эндотелиальной, нейрональной, индуцируемой и митохондриальной [39]. N0 оказывает системное воздействие на энергетический метаболизм, вызывая расширение кровеносных сосудов, тем самым увеличивая доступ энергетических субстратов к тканям и клеткам, и путем регулирования связывания кислорода с гемоглобином. N0 способен также непосредственно влиять на энергообмен клетки путем конкуренции с кислородом за связывание с цитохромоксидазой, приводя к снижению потребления кислорода митохондриями, межмембранного потенциала и синтеза АТФ [13]. Также N0 играет важную роль в биогенезе митохондрий эндотелиальных клеток через активацию БШТ1 и PGC-1а[39]. Есть предположение, что активация митохондриальной N0-синта-зы уменьшает старение клеток мозга [38, 46].
Ацетил-КоА. Степень ацетилирования митохонд-риальных транскрипционных факторов определяет уровень транскрипции митохондриальных генов и синтез белка. Цитозольный ацетил-КоА, образующийся из транспортированного в цитоплазму цитрата митохондрий или в ходе пероксисомаль-ных процессов, может переноситься из цитозоля в ядро. В миокарде старых крыс введение ацетилкарнитина приводит к улучшению функционирования митохондрий посредством увеличения уровня цитохрома Ь, восстановлению работы III комплекса дыхательной цепи и активации окислительного фосфорилирования [42].
Разобщающие агенты. Согласно гипотезе М. В. Вга^ [11], «ипсоир1шд-1;о-8игу1уе» («разобщать, чтобы выжить»), регулируемое разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях, является механизмом для уменьшения окислительного стресса. Найдена корреляция между продолжительностью жизни и уровнем свободного дыхания митохондрий [45]. Мыши с усиленным основным обменом и потреблением кислорода в покое имеют большую продолжительность жизни и степень разобщения дыхания митохондрий, чем мыши с низкой интенсивностью метаболизма.
Различные макромолекулы, содержащие анионные группы, могут переносить протоны в матрикс ми-
ОБЗОРЫ И ЛЕКЦИИ
. -]■ ч. J
тохондрий в обход АТФ-синтазы. Помимо наиболее изученных разобщающих белков (uncoupling proteins, UCPs), сюда также относятся транслоказа аденило-вых нуклеотидов и митохондриальная К+-АТФаза.
В эксперименте установлено, что UCP2 снижает продукцию АФК в митохондриях и приводит к увеличению продолжительности жизни животных. Z. B. Andrews [6] изучали выживаемость нокаутных мышей с инактивацией UCP2 и трансгенных мышей гиперэкспрессией данного белка. Отсутствие UCP2 сокращает продолжительность жизни, а уровень UCP2 положительно коррелирует с послеродовой выживаемостью животных, мутантных по митохондриальной супероксиддисмутазе.
Существует заметное снижение экспрессии UCP3 в скелетных мышцы старых мышей в сравнении с молодыми животными [29], поэтому накопление АФК с возрастом в данной ткани может быть отчасти связано со снижением уровня UCP3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, возрастные изменения функционирования митохондрий обусловлены взаимодействием большого числа молекул. Снижение с возрастом экспрессии генов, в том числе кодирующих важные для функционирования митохондрий транскрипционные факторы, с одной стороны, можно рассматривать как генетически обусловленный физиологический процесс. Доказана роль нарушения функции митохондрий в патогенезе таких социально значимых заболеваний и синдромов, ассоциированных с возрастом, как инсулинорези-стентность, сахарный диабет 2 типа, ожирение, атеросклероз, метаболический синдром [23, 30, 35]. Многочисленные исследования показали, что увеличение митохондриального окислительного стресса с возрастом способствует активации NF-kB в эндотелии артерий [14, 21]. С другой стороны, знание молекулярных механизмов возрастного изменения биоэнергетики позволяет использовать эти молекулы в качестве мишеней для терапии данных заболеваний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акопов А. Л., Кондратьев В. Б. Лечение метастатических экссудативных плевритов внутриполостным введением бле-омицетина // Вопросы онкол. — 1999. — № 4. — С. 411—415.
2. Акопов А. Л. Плевральный выпот при раке легкого // Пульмонология. - 2001. - № 4. - С. 72-77.
3. Акопов А. Л. и др. Видеоторакоскопический коллагено-вый плевродез при злокачественном плевральном выпоте // Пульмонология. - 2004. - № 6. - C. 25-29.
4. Акопов А. Л., Егоров В. И., Агишев А. С. Хирургическая диагностика новообразований и лимфаденопатий средостения // Материалы III съезда онкологов и радиологов СНГ. -Минск, 2004. - Ч. 2. - С. 87.
5. Бычков М. Б. Опухолевые плевриты (дифференциальная диагностика и лечение) // Русский мед.журн. -1999. - Т. 10 (92). - С. 458-461.
6. Волобуев А. В.Видеоторакоскопия в диагностике опухолевых заболеваний легких и плевры: автореф. дис. ... канд. мед.наук. — 2006.
7. ГельфондМ. Л. Фотодинамическая терапия в онкологии // Практическая онкол. — 2007. — Т. 8. — № 4. — С. 204-210.
8. Гипп И. Г., Кимакович В. Й.Химическийплевродез тальком методом торакоскопии у больных с опухолевыми рецидивирующими плевритами // Шпитальнах1рург1я. — 2006. — № 4. — С. 117—118.
9. Григорук О. Г., Лазарев А. Ф., Базулина Л. М. Диагностическая ценность цитологического метода при исследовании клеточного состава плевральной жидкости // Пульмонология. — 2007. — № 3. — С. 66 — 71.
10. Григорук О. Г., Базулина Л. М., Лазарев А. Ф. Цитологические методы диагностики плевритов // Вопросы он-кол. — 2010. — № 1. — С. 73 — 78.
11. Давыдов М. И. и др. Адаптивная иммунотерапия при опухолевых плевритах: клинико-лабораторные исследования // Российский онколог.журн. — 2000. — № 6. — С. 14—17.
12. Добровольский С. Р., Белостоцкий А. В. Диагностика и лечение экссудативного плеврита // Хирургия. — 2002. — № 3. — С. 52 — 57.
13. ДовганикИ. О., РифьякБ. Р., Билинский Б. Т. Синдром плеврального выпота // Практична медицина. — 2003. — Т. IX. — С. 59 — 62.
14. Игонин В. А. и др. Дифференциальная диагностика плевральных выпотов // Клин.мед. — 2009. — № 7. — С. 56.
15. Ильницкий Р. И. и др. Синдром плеврального выпота: дифференциальная диагностика и лечебная тактика // Украг-нськийпульмонолопчний журн. — 2004. — № 3. — С. 64 — 68.
16. Кондратьева О. Г. и др. Интервенционные ультразвуковые вмешательства при метастатическом плеврите при раке легких и яичников // Украшськийрадюлопчний журн. — 2003. — № 3. — С. 323 — 324.
17. Лискина И. В. Малоинвазивные хирургические процедуры в диагностическом алгоритме при синдроме плеврального выпота неясного генеза (клинико-морфологичес-кие сопоставления) // Украшськиймедичнийчасопис. — 2005. — № 3 (47). — С. 25 — 30.
18. Лискина И. В. Опухолевые плевриты: клинико-мор-фологическая характеристика и дифференциальная диагностика // Украшськийпульмонолопчний журн. — 2006. — № 3. — С. 33.
19. Лискина И. В. и др. Новые возможности в диагностике экссудативных плевритов неясной этиологии // Украшськийпульмонолопчний журн. — 2007. — № 1. — С. 47 — 50.
20. Малаев С. Г. Опухолевые плевриты и метастатические опухоли легких // Мед. помощь. — 2000. — № 2. — С. 16—18.
21. Маскелл Н. А., БутландР. Дж. А. Рекомендации Британского Торакального общества (ВТБ) по обследованию взрослых больных с односторонним плевральным выпотом // Пульмонология. — 2006. — № 2. — С. 13—26.
22. Нетяженко В. З., Мальчевская Т. И. Плевральные выпоты — современный взгляд на проблему // Мистецтвол1-кування. — 2005. — № 1. — С. 36—41.
23. Никишов В. Н.Видеоторакоскопия в диагностике и лечении опухолей плевры: автореф. дис. .. канд. мед. наук. — Казань, 2002.
24. Опанасенко Н. С. и др. Современные тенденции эпидемиологии опухолевого плеврита // Клimчнахiрургiя. — 2004. — № 8. — С. 43.
25. ПаламарчукИ. Д. и соавт. Проблема дифференциальной диагностики плеврального выпота: аспекты решения // Международ. мед.журн. — 2002. — № 4. — С. 34 — 36.
26. Папков А. В., Добкин В. Г. Возможности и результативность плевробиопсии в диагностике плевритов // Про-
блемы туберкулеза и болезней легких. — 2003. — № 11. — C. 14-16.
27. Парфри Х., Чайлверс Э. Р. Заболевания плевры: диагностика и лечение // Лечащий врач. — 2003. — № 1. — С. 12-17.
28. Переводчикова Н. И., Алексеева Т. Р. Опухолевые плевриты: диагностика и выбор терапевтической тактики // Международ. мед.журн. — 2003. — № 4. — C. 88 — 93.
29. Решетов А. В. и др. Хирургические методы в лечении метастатических поражений легких и плевры // Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. — 2002. — № 3. — C. 69 — 72.
30. РойтбергГ. Е.,Струтынский А. В. Внутренние болезни. Система органов дыхания. — М., 2005.
31. Рощин И. Н.Видеоторакоскопия в диагностике и лечении заболеваний осложненных синдромом плеврального выпота: автореф. дис. ... канд. мед.наук. — Ярославль, 2009.
32. Сажин В. П., Коган Д. Л., Сажин И. В. Торакоскопи-ческая диагностика и фотодинамическая терапия злокачественных плевритов // III Международ. конф. «Актуальные вопросы эндоскопической хирургии»: сб. тезисов. — СПб., 2008.
33. Сигал Е. И. и др. Видеоторакоскопическая диагностика и лечение злокачественных плевритов // Материалы Пленума Правления Ассоциации эндоскоп.хирургии. — Казань, 1999. — С. 81—86.
34. Сигал Е. И., Никишов В. Н. Эффективное лечение плеврального синдрома у больных со злокачественными новообразованиями: устройство для выполнения торакос-копическогоплевродеза тальком // Материалы Пленума Правления Ассоциации эндоскоп.хирургии. — Казань, 1999. — С. 89 — 90.
35. ТрахтенбергА. Х. и др.Торакоскопическаяфлюорес-центная диагностика и внутриплевральная фотодинамическая терапия у онкологических больных с первичным и метастатическим плевритом // Российский онколог.журн. — 2009. — № 2. — С. 8—12.
36. Чайка О. В.Видеоторакоскопия в диагностике и лечении опухолевых экссудативных плевритов: автореф. дис. ... канд. мед.наук. — СПб., 2011.
37. Шмелев А. А. Видеоторакоскопия в диагностике и лечении экссудативных плевритов неясной этиологии: автореф. дис. ... канд. мед.наук. —СПб., 2008.
38. Яблонский П. К., Петров А. С. Злокачественная мезо-телиома плевры // Практическая онкол. — 2006. — Т. 7. — № 3. — С. 179— 188.
39. Яблонский П. К., Пищик В. Г.Видеоторакоскопия в современной торакальной клинике // Вестник хирургии. — 2003. —№ 1. — С. 110—114.
40. Ясногорский О. О. и др. Видеоторакоскопические и видеосопровождаемыеинтраторакальные вмешательства // 5-й Московский международ. конгр. по эндоскоп.хирургии: сб. тезисов. — М., 2001. — С. 83 — 84.
41. Arapis K. et al.Thoracoscopic palliative treatment of malignant pleural effusions: results in 273 patients // Surg-Endosc. — 2006. — № 20 (6). — P. 919 — 923.
42. Berghmans T. et al. Activity of chemotherapy and immunotherapy on malignant mesothelioma: a systematic review of the literature with meta-analysis // Lung Cancer. — 2002. — Vol. 38. — P. 111 — 121.
43. Boutin C. et al. La thoracoscopydort-elleetreunexamen de routine en practiquepneumologique courante? // Med. Hyg. — 1984. - Vol. 42. - P. 2992-3000.
44. Campos J. R. et а1.Торакоскопический плевродез тальком: 15-й опыт// Chest. - 2001. - Vol. 119 (3). -P. 801-806.
45. Cohen M., Sahn S. Resolution of pleural effusions // Chest. - 2001. - Vol. 119. - № 5.- P. 1547-1562.
46. Colson Y. et al. The Role of Minimally invasive surgery in lung Cancer// ASCO. - 2003. - P. 153- 163.
47. Djordjevic M. A. et al. Malignant pleural effusion -diagnosis and treatment // Eur. Respiratory J. - 2002. -Vol. 20. - Suppl. 38. - P. 1741.
48. Genc O. et al. The long-term morbidity of pleuroperitoneal shunts in the management of recurrent malignant effusions // Eur. J. Cardiothorac. Surg. - 2000.- № 18. - Р. 143-146.
49. Kaeva B. et al. The role of thoracosopy in the diagnosis of malignant pleural effusions // Eur. Respiratory J. - 2002. -Vol. 20. - Suppl. 38. - P. 2783.
50. Kvale P. A., SeleckyP. A., Prakash U. B. S. Palliative Care in Lung Cancer // ACCP Chest. - 2007. - № 132. - Р. 368-403.
51. Laisaar T. et al. Life expectancy of patients with malignant pleural effusion treated with video-assisted thoracoscopic talc pleurodesis // Interact Cardiovasc. Thorac.Surg. - 2006.-№ 5 (3). - P. 307-310.
52. Marel M. The epidemiology of pleural effusion // Eur. Respir. J. - 2002. - P. 146- 156.
53. Marom E. M. et al. Malignant pleural effusions: treatment with small-bore-catheter thoracstomy and talk pleurodesis // Radiology. - 1999. - № 210. - Р. 277-281.
54. Mitrofan C. et al.Thoracoscopicpleurodesis in malignant pleural effusions // Rev. Med. Chir. Soc. Med. Nat. Iasi. -2005. - № 109 (4). - P. 799-803.
55. PuzmanP., TerlM., MukensnablP.Videothoracoscopy in local anesthesia in diagnosis and therapy of pleural effusions // Vnitr. Lek. - 2006. - № 52 (4). - P. 321-327.
56. Richards W. G. et al. Phase I to II study of pleurectomy/ decortication and intraoperative intracavitaryhyperthermic-cisplatin lavage for mesothelioma // J. Clin. Oncol. - 2006. -Vol. 24 (10). - P. 1561-1567.
57. Rodriguez-Panadero F. Злокачественныезаболевани-яплевры // Monaldi Arch. Chest. Dis. - 2000.- Vol. 55 (1). -P. 30-33.
58. Sahn S. A. Malignancy metastatic to the pleura // Clin. Chest Med. - 1998.- № 19.-Р. 351-361.
59. Sahn S. A. Malignant pleural effusions // Eur. Respir. Mon. - 2002.- № 22. - P. 177- 188.
60. Schulze M. et al. Effective treatment of malignant pleural effusion by minimal invasive thoracic surgery: thoracoscopic talc pleurodesis and pleuroperitoneal shunts in 101 patients // Ann. Thorac. Surg. - 2001.- № 71. - Р. 1809- 1812.
61. Stefani A. et al. Talc poudrage versus talc slurry in the treatment of malignant pleural effusion. A prospective comparative study // Eur. J. Cardiothorac. Surg. - 2006.- № 30 (6). - P. 827-832.
62. Steger V. et al. Who gains most? A 10-year experience with 611 thoracoscopic talc pleurodeses// Ann. Thorac. Surg. -2007.- № 83 (6). - P. 1940-1945.
