Мітохондрії: Енергія, Сигналування та Захворювання

Вступ до Мітохондрій

Мітохондрії — подрумчалові органели, які виконують окислювальне фосфорилювання та генерують більшість клітинного АТФ, але їх функції сягають значно далі, ніж виробництво енергії. Мітохондрії регулюють гомеостаз кальцію, пом’якшуючи цитоплазмові піки Ca2+, продукують реактивні кисневмісні сполуки (РКС) як друга сигнальна молекула та пошкоджують макромолекули, контролюють клітинну смерть через відкриття мембранного переходу транзитом та вивільнення цитохрому c, ініціюючи апоптоз, виконують бета-окислення жирних кислот, каталіз синтезу амінокислот, біосинтез гему та стероїдний синтез. Мітохондрії — напівавтономні органели з власним циркулярним геномом (mtDNA) довжиною 16,5 кbp, який кодує 13 суб’юдних одиниць окислювального фосфорилювання, 22 тРНК та 2 рРНК.

Мітохондрії походять від альфа-протеобактеріальних ендосимбіонтів — їх було ув'язнено протоєukaryотичним господарем близько 1,5 мільярда років тому в процесі ендосимбіозу, який забезпечив єйдерним клітинам здатність використовувати аеробне дихання. З плином еволюції більшість примітивних бактерійних генів було передано до ядерного геному, залишивши mtDNA як мінімальний кодуючи геном. Людський mtDNA існує в кількості 500-1000 копій на клітину (поліплоїдія, унікальна для людського ДНК) і ексклюзивно успадковується материнською лінією. Мітохондріальна гетероплазія — суміші нормального та мутованого mtDNA в клітині — визначає проникність захворювання при наявності патогенних мутацій.

Окисне фосфорилювання

Ланцюг перенесення електронів

Ланцюг перенесення електронів (ЛПЕ) складається з п’яти багатопротеїнових комплексів, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрії. Комплекс I (надоха-юбіквіноний окисне редуктаза, 45 суб’юнктів): приймає електрони від NADH, передає їх юбіквінону, перекачуючи 4 протони на 2е-. Комплекс II (сукцинат дегідрогеназа): передає електрони від FADH2 до юбіквінону без перекачування протонів. Комплекс III (цитохром bc1): передає електрони від юбіквінолу до цитохрому c, перекачуючи 4 протони через цикл Q. Комплекс IV (цитохром оксидаза): передає електрони від цитохрому c до O2, що зводиться до води, перекачуючи 2 протони на 2е-. Комплекс V (АТФ-синтаза): використовує протоновий градієнт (протонний ти повельний потенціал), створений комплексами I, III та IV для фосфорилювання АДФ до АТФ – хіміосмотична теорія (Мітчелл, Нобелівська премія 1978 року).

Реактивні кисневі види

Електрони, що витікають з ЛПЕ (переважно з комплексів I та III) реагують з O2, утворюючи супероксид (O2•-) – перетворений на H2O2 MnSOD (мітохондріальна матриця) або CuZnSOD (цитоплазма). H2O2 детоксикується каталазою, глутатіоновою пероксидазою та пероксиредуктазами. При контрольованих рівнях мітохондріальні ROS діють як сигнальні молекули, активуючи HIF-1α (запобігання інгібуванню проліл гідроксилазі), NF-kB та аутофагію. При підвищених рівнях (від дисфункції ЛПЕ, змін мембранного потенціалу мітохондрій або виснаження антиоксидантів) ROS пошкоджують білки, ліпіди та ДНКmt, викликаючи дисфункцію мітохондрій. Парадоксально, помірні збільшення ROS (мітохороміс) подовжують тривалість життя у C. elegans через адаптивну реакцію на стрес; надмірне накопичення ROS спричиняє старіння.

Динаміка мітохондрій

Злиття та поділ: Мітохондрії постійно зливаються та діляться (динаміка мітохондрій) у відповідь на метаболічний стан і стрес. Злиття: злиття зовнішньої мембрани за допомогою Mitofusin1/2 (MFN1/2) GTPаз; злиття внутрішньої мембрани за допомогою OPA1. Поділ: ДРП1 GTPaz рекрутується до мітохондріальних точок звуження за допомогою FIS1, MFF та MIEF адаптерів, утворюючи спіральні кільця, які відривають мітохондрії. Злиття забезпечує поповнення пошкодженого ДНК та білків між органелами; поділ забезпечує селективну аутофагію (мітофагію) пошкоджених мітохондрій, асиметричне розділення під час поділу клітин і транспортування мітохондрій. Мутації ДРП1 викликають новонароджену енцефалопатію; мутації OPA1 викликають домінантну оптичну атрофію (зрихову втрату). Клітини раку часто демонструють гіперзміщені мережі злиття мітохондрій, які стійкі до апоптозу.

Мітофагія

Мітофагія — це селективна аутофагія, яка видаляє пошкоджені мітохондрії. PINK1 (мітохондріальний кіназа) постійно імпортується та деградує в здорових мітохондріях; у пошкоджених мітохондріях з пониженим потенціалом мембрани PINK1 накопичується на зовнішній мембрані, фосфорилює ланцюги білок-у-біквітин. Фосфорилизований білок-у-біквітин залучає Parkin (E3-убіквітин лігазу), який убіквітинує білки зовнішньої мембрани; рецептори зв’язування убіквітинів (OPTN, NDP52) з’єднують убіквітиновані мітохондрії з аутофагосом LC3k+ для їхнього розкладання в лізосомах. Мутації PINK1 та Parkin викликають ранній-початковий хворобу Паркінсона, встановлюючи дефектну мітофагію — накопичення пошкоджених мітохондрій — як патогенетичний механізм нейродегенерації.

Мітохондрії та клітинна смерть

Мітохондрії є центральними для внутрішньої апоптозу. Проапопటోтичні члени родини BCL-2 (BAX, BAK) згортаються на зовнішній мембрані мітохондрій, утворюючи пори та викликаючи вихід мембранного оповіщення зовнішньої мембрани мітохондрій (MOMP)—вивільняючи цитохром c, Smac/DIABLO та AIF в цитоплазму. Цитохром c збирається з APAF-1 та прокаспазу-9, утворюючи апоптом, який активує каскадну каспазу-9, що розщеплює та активує виконавчих каспасів-3 і 7. BCL-2, BCL-xL, MCL-1 (протиапоптотичні білки) запобігають MOMP шляхом утримування BAX/BAK. Венетоклокс (інгібітор BCL-2) досягає високих показів ремісії при ХЛЛ, дозволяючи MOMP в пухлинних клітинах, залежних від BCL-2 для виживання, демонструючи мітохондріальну апоптозу як лікувану вразливість раку.

Приклади та застосування

Приклад 1: Венетоклокс при гематологічних злоякісних новоутвореннях

BCL-2 є архетиповою антиапоптотичною білкою, вперше виявленою на переломі хромосомного транслокації t(14;18) у фолікулярному лімфому, що підпорядковується контролю енцефалоцитарним інгібітором імуноглобулінів. Венетоклокс безпосередньо інактивує BCL-2 шляхом заповнення його гідрофобної пастки, витісняючи утримувані в ній BAX/BAK, які олігомерізуються та викликають MOMP. У ХЛЛ венетоклокс + ібрутиніб досягає >90% повного ремісію з невидимим MRD за фіксованої тривалості лікування в клінічних випробуваннях. При МЛП з мутаціями IDH або NPM1 венетоклокс + азацитидін забезпечив 74% загальної відповіді – трансформуючи результати для літніх пацієнтів, які не можуть витримати інтенсивну хіміотерапію.

Приклад 2: Генотерапія мітохондріальних захворювань

Митохондріальні захворювання від мутацій mtDNA є складними для генної терапії через те, що mtDNA знаходиться в матриці мітохондрій – важко отримати доступ до нього за допомогою звичайних векторів. Підходи включають ядерне генне вираження мітохондрійно-орієнтованих корекційних генів (аллоптрібний вираз), редагування mtDNA за допомогою mitoTALEs та mitoZFNs для селективної елімінації мутантного mtDNA гетероплазму шляхом розрізання лише мутантної послідовності. GS010 від GenSight Biologics доставляє ген ND4 до рецепторів нервових клітин у сітківці для ЛГН (помилка ND4) , покращуючи зір у клінічних випробуваннях. Підходи mitoTALEN/mtZFN, що зміщують гетероплазму в дикий тип, перебувають на стадії доклінічних досліджень для поширених мутацій mtDNA.

Приклад 3: Шлях PINK1/Parkin при хворобі Паркінсона

Автосомно-рецесивна хвороба Паркінсона з мутаціями PINK1 та PARKIN уражають мітофагію, викликають дисфункцію мітохондрій і зрештою знищують допамінергічні нейрони. Моделі тварин (Drosophila, миші) з видаленим PINK1/Parkin демонструють дефекти морфології мітохондрій та нейродегенерацію. Фізична активність активує BNIP3L/NIX-опосередковану мітофагію, забезпечуючи нейропротекторний ефект – емпірично підтверджено фізичною активністю зниження ризику хвороби Паркінсона на 30–40%. Добавки NAD+ для відновлення ефективності мітофагії, інгібування mTOR для збільшення аутофагії та мітохондрійно-орієнтовані антиоксиданти (MitoQ) тестуються у пацієнтів з хворобою Паркінсона та моделях як стратегії покращення мітофагії.

Приклад 4: Трансфер мітохондрій

Туннелюючі трубки між клітинами дозволяють природний перенос мітохондрій – механізм порятунку, спостерігається в кардіоміоцитах та респіраторних клітинах. Терапевтичний перенос здорових мітохондрій до пошкоджених клітин при ішемії відновлює функцію мітохондрій та покращує одужання в тваринах. У 2016 році було опубліковано клінічну звітність про доставку трансплантованих мітохондрій під час педіатричної кардіохірургії, з видимим функціональним поліпшенням.

Приклад 5: Ефект Варбурга та метаболізм раку

Ракові клітини переважно використовують гликоліз навіть за наявності кисню (ефект Варбурга), виробляючи лактат замість повної окисної трансформації глюкози в мітохондріях. Варбург припустив, що пошкодження мітохондрій спричинило цей метаболічний зсув; сучасне розуміння чітко визначає, що багато ракових клітин мають цілісні мітохондрії, але перепрограмовані метаболічно для підтримки біосинтезу. Глютамін є основним субстратом TCA аплазії у багатьох пухлинах – CB-839 (інгібітор глютамінази) цільовий раковий залежність від глютаміну. Лактат, що виділяється раковими клітинами, фокусує кислотне середовище навколо пухлини, пригнічуючи активність імунних клітин; солі та бікарбонат або інгібування MCT4 для цільового експорту лактату є терапевтичними стратегіями, що модулюють пухлинну імуносупресивну кислотність.

Приклад 6: Мітохондрії та імунітет

Мітохондрії служать платформами для інтактного імунної сигналізації. MAVS (мітохондріальний вірусний сигнальний білок) на зовнішній мембрані мітохондрій активується за допомогою RIG-I, що розпізнає вірусну РНК, формуючи функціональні призматичні агрегати, які поширюють сигнали. Пошкоджене mtDNA, вивіслене в цитоплазму, активує cGAS-STING інтактний імунний сенсор. NLRP3 інфламоасомна активація потребує як TLR-прискорення, так і другої сигналізації, включаючи ROS мітохондрій або цитоплазматичне mtDNA. Порушена мітофагія в макрофагах призводить до вивільнення mtDNA, активуючи STING та сприяє розвитку запальних захворювань, подібних до системного червоного вовчака, у мишей – встановлюючи мітофагію як регулятор інтактної імунної активації та аутоімунітету.

Приклад 7: Мітохондрії в коричневій жировій тканині

Коричнева жирова тканина (BAT) має унікальні мітохондрії – надзвичайно багато (клітини BAT виглядають коричневими через їхню щільність), з ункопунгінним UCP1 в внутрішній мембрані мітохондрій, створюючи протонний потік, що обходить АТФ-синтазу та розсіює протоновий градієнт як тепло. Холодна стимуляція активує симпатичні нерви; норадреналін через бета-3 адренергічний рецептор фосфорилює ліпази, вивільняючи жирні кислоти, які одночасно живлять і безпосередньо активують UCP1. Термогенез BAT у дорослих людей (виявляється за допомогою сканування FDG) забезпечує до 400 ккал/день тепла в холоді – актуально для метаболічних захворювань. Фармакологічна активація BAT є ціллю для лікування ожиріння.

Приклад 8: Мітохондріальна материнська спадність та філогенетика

Митохондріальне ДНК ексклюзивно передається материнським шляхом (батьківське мітохондрії активно усуваються в заплідне яйце через PINK1/Parkin-опосередковану мітофагію). Ця материнська спадність та відсутність рекомбінації роблять mtDNA потужним молекулярним годинником для генетичного походження людей. Мітохондріальні хаплогрупи – визначені конкретними мутаціями mtDNA, які накопичуються в материнських лініях – відстежують міграцію людей з Африки (~180 000 років тому), заселяючи Європу як північним, так і південним шляхами, та Америку (приблизно 15 000 років тому). Концепція

мітохондріальної предком

– найновіший загальний материнський предок усіх людей – знаходиться в Африці приблизно 150 000–200 000 років тому на основі філогенетики mtDNA.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері — відкрийте Mitochondria Biology: Energy, Signalling, and Disease та змінюйте параметри під час роботи. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Mitochondria Biology: Energy, Signalling, and Disease і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.