фундаментальна медицина

Мітохондріальна дисфункція при нейродегенеративних захворюваннях

img 1

Вступ

До основних нейродегенеративних захворювань відносять хворобу Альцгеймера (ХА), бічний аміотрофічний склероз (БАС), хворобу Гантінгтона, хворобу Паркінсона (ХП). Відомо, що основною причиною розвитку цих патологічних процесів є мутації різних білків з утворенням внутріклітинних агрегатів. До таких протеїнів відносять попередник амілоїду (ХА), пресенілін 1 і 2 (ХА), τ-білок (ХП), α-синуклеїн (ХП), гантінгтін (хвороба Гантінгтона), паркін (ХП), супероксиддисмутазу-1 (БАС).

Встановлено також, що структурно-функціональні порушення мітохондрій є одною з основних патогенетичних ланок, що поєднують порушення структури та функцій перерахованих вище білків і накопичення їх в нейронах з розвитком дегенеративних порушень в нервовій тканині. До основних проявів мітохондріальної дисфункції відносять зниження синтезу АТФ, продукцію активних форм кисню, активізацію механізмів програмованої клітинної смерті (ПСК), включаючи апоптоз, автофагію і некрозоподобні зміни. Наслідком цих процесів є пригнічення енергоємких процесів в нейронах, пошкодження вільними радикалами мембранних структур клітин, розвиток процесу запалення в нервовій тканині, загибель функціональних нервових клітин, порушення синаптичної передачі сигналів, збільшення вивільнення глутамату з пресинаптичних терміналей, зниження пластичності синаптчних контактів, активізація запалення. Подальше вивчення механізмів формування дисфункції мітохондрій в патогенезі нейродегенеративних процесів повинне сприяти уточненню патогенетичних процесів, залучених в розвиток нейродегенеративних захворювань.

Розвиток мітохондріальної дифункції під впливом дефектних білків, специфічних для нейродегенеративних процесів, було встановлено в експериментах in vitro на клітинних лініях, позаклітинних системах, і in vivo на трансгенних тваринах і в дослідах з використанням інгібіторів функцій мітохондрій. Значний інтерес представляє збільшення рівня дефектних білків в клітині під впливом мітохондріальної дисфункції, що свідчить про можливість формування “порочного кола” між продукцією дефектних протеїнів і дисфункцією мітохондрій. Встановлено, що хронічна дія низькими дозами ротенону (25–50 nm, 8 днів) сприяє акумуляції убіквітинованих білків, активізації E1-убіквітину і збільшенню активності протеасом. Генерація мітохондріями АФК сприяє агрегації α-синуклеїну, що підтверджується в експериментах на культурах клітин, оброблених ротеноном. Показана можливість індукції нейродегенеративних змін у щурів під дією останнього. При цьому порушення активності дихального комплексу I можуть ініціювати накопичення в нервових клітинах гіперфосфорильованого τ-білка і меншою мірою — α-синуклеїну.

Викладені факти характеризують мітохондріальну дисфункцію як активну ланку патогенезу нейродегенеративних процесів. Це зумовлює необхідність вивчення механізмів розвитку структурно-функціональних порушень мітохондрій в умовах розвитку нейродегенеративних захворювань. Результати експериментальних досліджень свідчать про значне різноманіття процесів, сприяючих формуванню структурно-функціональних порушень в мітохондріях нервових клітин.

Нижче обговорюються наступні механізми пошкоджень і дизрегуляційних дій на мітохондрії: активізація неспецифічних механізмів відповіді на порушення нативної структури білків — unfolded protein response (UPR); втрата функції мітохондріальних білків; безпосередні токсичні ефекти дефектних білків на мітохондрії; активація мітохондріальних механізмів ПКС; дизрегуляція процесів утилізації, поділу та злиття мітохондрій; порушення транспорту і внутрішньоклітинного розподілу мітохондрій.

Розвиток UPR і стрес ендоплазматичного ретикулуму

Відомий взаємозв'язок порушень функцій протеасом з розвитком різних нейродегенеративних захворювань. Встановлено, що формування депозитів дефектних білків при нейродегенеративних процесах приводить до розвитку UPR і як наслідок — стресу ендоплазматичного ретикулуму (ЕР). Встановлено, що останній, що знаходиться в стані опосередкованого UPR стресу, сприяє розвитку дегенеративних змін в мітохондріях. На культурі клітин лінії Pc12 показано, що експресія A53t α-синуклеїну сприяє зниженню активності протеасом, розвитку стресу ЕР, збільшенню продукції АФК і зростанню частоти ПКС, що супроводиться вивільненням цитохрому із з мітохондрій і активацією каспаз 9 і 3. Відомо, що результатом пролонгованого UPR є індукція апоптозу за рахунок вивільнення цитохрому із з мітохондрій і активації каспаз. Основна роль при передачі суїцидного сигналу від ЕР мітохондріям відводиться вивільненню в цитоплазму кальцію та білка Ire1. Збільшення концентрації кальцію в цитоплазмі може індукувати вивільнення чинників ПКС з мітохондрій за допомогою різних механізмів. Одним з таких процесів є активація білків, сприяючих формуванню мітохондріальних каналів: Вах і Bid за рахунок активізації кальпаїнів, а також Bad і Bik за допомогою активації кальциневрину. Наступний механізм полягає в стимуляції кальцій-чутливої ізоформи нітросинтази, що сприяє збільшенню окисного стресу в клітці. Іншим механізмом є активізація мегаканалів мітохондрій за рахунок дії надлишкової кількості кальцію. Ще один з відомих механізмів полягає в пошкодженні мітохондріальної мембрани внаслідок активації фосфоліпази А2. Можлива участь UPR в інтенсифікації утилізації мітохондрій за допомогою індукції в клітині процесів макроавтофагії. Показано збільшення в умовах стресу ЕР рівня проапоптичного фактора Htra2 в мітохондріях, що сприяє зростанню інтенсивності опосередкованого ними суїцидного сигналу. Таким чином, в умовах розвитку нейродегенеративних процесів мітохондрії є одною з ланок, інтегруючих сигнали ЕР, що знаходиться в стані стресу, і визначають долю клітини залежно від стану даної системи.

Токсичний вплив білків-мутантів на мітохондрії

Показана можливість прямого впливу дефектних білків і їх відкладень на функції мітохондрій. Існує думка, що на початкових етапах розвитку ХА накопичення β-амілоїду і гіперфосфорилювання τ-білка можуть служити як природні механізми захисту клітини від окислювального стресу, прогресу мітохондріальної дисфункції і накопичення редокс-активних металів, що розвиваються, як наслідок. Проте перевищення визначеного порогового рівня концентрації даних білків в клітині сприяє розвитку в мітохондріях структурно-функціональних порушень. Встановлено, що в мозку пацієнтів з ХА пептид β-амілоїду здатний високою мірою накопичуватися в мітохондріях і порушувати активність ферментів гліколізу і циклу Кребса, активізувати продукцію АФК.

Цікавою є здатність позаклітинного домена білка-попередника амілоїду і пептиду β-амілоїду пригнічувати синтез АТФ комплексом АТФ-синтази в умовах in vitro. Це визначається схожістю структури цього домена з природним інгібітором F(1)-субодиниці АТФ-синтази в мітохондріях (IF(1)). Показано, що волокна β-амілоїду і його білок-попередник здатні зв'язуватися з мітохондріальною мембраною. Встановлено, що білок-попередник β-амілоїду накопичується переважно на каналах імпорту білків в мітохондріях тканини мозку пацієнтів з ХА. Взаємодіючи з мітохондріальною мембраною, даний білок формує стабільні комплекси масою 480 кДа з транслоказою Tom40 і комплексами масою 620 кДа як з транслоказою Tom40, так і з Tim23. Це обумовлює пригнічення імпорту в мітохондрії кодованих ядерним геномом білків: субодиниць IV і Vb цитохрому-оксидази, що приводить до пригнічення даного білкового комплексу і збільшення продукції мітохондріями H2О2. За допомогою трансмісійної електронної мікроскопії з високим розрішенням підтверджена можливість формування пор в мембранах мітохондрій і інших органел з олігомерів білка-попередника β-амілоїду, що сприяє порушенню іонного балансу в клітині і служить причиною розвитку ПКС. Показана здатність білка-попередника β-амілоїду стимулювати активність фосфоліпази D, що приводить до зміни фосфоліпідного спектру мітохондріальних мембран: збільшується концентрація фосфатидилхоліну, фосфатидилетаноламіну і фосфатидної кислоти. Встановлено, що скріплення гема пептидом β-амілоїду приводить до його дефіциту в клітині. У трансгенних щурів, експресуючих гантінгтін людини, спостерігали агрегацію даного білка в мітохондріях, що сприяло розвитку мітохондріальної дисфункції. Показано, що n-кінцевій фрагмент α-синуклеїну людину несе прихований сигнал, що визначає його локалізацію в мітохондріях. Імпортований в мітохондрії α-синуклеїн переважно асоційований з внутрішньою мітохондріальною мембраною. Накопичення α-синуклеїну у мітохондріях дофамінергічних нейронів людини сприяє зниженню активності I дихального комплексу і як наслідок – збільшенню продукції мітохондріями АФК. Встановлено, що ще одним наслідком взаємодії α-синуклеїну з мітохондріями є вивільнення з них цитохрому 3 в цитозоль. В цілому викладені вище дані об'єктивно показують можливість накопичення білків-мутантів і їх агрегатів в матриксі мітоходрій і їх асоціації з мітохондріальними мембранами. Дані білки здатні безпосередньо взаємодіяти з різними структурами мітоходрій: АТФсинтазою, транслоказою Tom40 і Tim23, мембранами мітохондрій (формування пор з олігомерів білка-попередника β-амілоїду).

Активація мітохондріальних механізмів ПКС

Окрім прямого впливу вказаних вище дефектних білків на функції мітохондрій, встановлена їх здатність активізувати вивільнення мітохондріальних апоптотичних факторів за рахунок прямої або непрямої дії на регуляторні білки: p53, Akt, Bad, Вах, Bcl-x(L), кальциневрін та ін. Показано, що мутант-гантінгтін взаємодіє з p53, що сприяє збільшенню його рівня в ядрі. Порушення активності p53 під дією РНК-інтерференції, делеції гена сприяло запобіганню деполяризації мембран мітохондрій і компенсувало цитотоксичний ефект мітохондріальної дисфункції. Встановлено, що пептид β-амілоїду індукує апоптоз цереброваскулярних клітин ендотелію за рахунок інактівації протеїнкінази Akt, що перешкоджає активізації сигналів апоптозу за участю Bad. Наслідком цих подій є розвиток мітохондріальної дисфункції, що супроводиться вивільненням з мітохондрій ендонуклеази G і Smac. Встановлено, що пептид β-амілоїду активізує вивільнення цитохрому із з мітохондрій за рахунок дефосфорилювання Bad під впливом кальціневріну. Показана здатність фосфорильованої форми τ-білка активізувати механізми апоптозу, що характеризуються зниженням трансмембранного потенціалу мітохондрій, збільшенням рівня JNK, Bim, Bad, Вах і каспази-3. У експерименті з культурою нейронів з мозочка, стріатума і чорної субстанції, трансфецированих геном мутанта атаксину-3, показано, що останній активізує вивільнення цитохрому З і Smac за рахунок активації експресії Вах і придушення експресії Bcl-x(L). Накопичення в нейронах церамідів, спостережуване при різних нейродегенеративних процесах, може сприяти активізації ПКС за рахунок індукції виходу деяких проапоптотичних білків мітохондрій: цитохрому З, Omi, SMAC і AIF. Резюмуючи викладене вище, в умовах розвитку нейродегенеративних процесів дефектні протеїни роблять вплив на різні ланки системи ПСК, що взаємодіють з мітохондріями. Збільшення інтенсивності дії суїцидних сигналів на мітохондрії сприяє зниженню трансмембранного мітохондріального потенціалу, продукції мітохондріями АФК і вивільненню з даних органел факторів, що ініціюють механізми реалізації програмованої клітинної загибелі.

Недостатність функцій мітохондріальних білків

Встановлено, що одним з механізмів розвитку БАС є каталіз варіантом мутанта супероксиддисмутази-1, специфічної для мітохондрій, атипових біохімічних реакцій, продуктом яких можуть бути різні вільні радикали, у тому числі супероксидний аніон, гідроксильний радикал, перекис водню і пероксинітрит. Високий рівень активних форм кисню може пошкоджувати мітохондріальні структури і брати участь в розвитку мітохондріальної дисфункції. Встановлено, що мутації даного ферменту сприяють ослабленню антероградного транспорту мітохондрій у відростках нейронів. У змішаній первинній культурі з астроцитів і мотонейронів показано, що експресія форми мутанта супероксиддисмутази-1 Sod1(G93a) астроцитами сприяє зниженню мітохондріального потенціалу і редокс-статусу мітохондрій як у самих астроцитах, так і культивованих спільно мотонейронах. Встановлено, що розвитку рецесивно-успадкованого паркінсонізму сприяють порушення структури білка Dj-1 (Park7) — компонента антиоксидантного захисту мітохондрій, ядра і модулятора активності транскрипції. Показано, що точкові мутації мітохондріального білка Htra2 (Park13) є чинником сприйнятливості до ХП. Низький рівень експресії мітохондріального залізо-сполучного білка фратаксину спостерігають при атаксії. У пацієнтів, що страждають на автосомно-домінантну форму спадкової спастичної параплегії, виявлені мутації гена Hspd1, що кодує мітохондріальний шаперонін Hsp60. Це, ймовірно, є причиною порушення системи утилізації дефектних білків мітохондрій. Таким чином, функціональна недостатність різних мітохондріальних білків сприяє порушенню в мітохондріях систем антиоксидантного захисту, гомеостазу заліза, утилізації дефектних протеїнів, що сприяє розвитку структурно-функціональних порушень мітохондрій в умовах розвитку нейродегенеративних процесів.

Порушення процесів поділу і злиття мітохондрій

В даний час показаний тісний взаємозв'язок процесів фрагментації і злиття мітохондрій з активацією мітохондріальних механізмів ПКС. Встановлено, що Pink1 (PTEN-induced putative kinase 1) і паркін є компонентами системи злиття/поділу мітохондрій і беруть участь в підтримці їх цілісності і збереження функцій. Мутації генів Pink1 і паркіну спостерігаються у пацієнтів з рецесивними формами ХП. Моделювання таких порушень на Drosophila melanogaster показало наявність структурних порушень мітохондрій (збільшення, набухання) різних тканин організму, включаючи м'язи і дофамінергічні нейрони. Встановлено, що мутації паркіну (Park2) сприяють порушенню елімінації дефектних форм мітохондрій атофагосомами. Над-експресія білка-попередника β-амілоїду клітинами лінії М17 супроводиться порушеннями системи злиття/поділу мітохондрій: значно знижуються рівні динаміно-подібного білка-1 і Opa-1, у той час як рівень Fis-1 істотно зростає. Резюмуючи викладене вище, вроджені і набуті дефекти системи фрагментації/злиття мітохондрій, сприяючи розвитку мітохондріальної дисфункції і активізації процесів ПКС, беруть участь у формуванні нейродегенеративних процесів.

Порушення утилізації мітохондрій

Припускають, що надлишкова активність автофагічних процесів може призводити до зниження чисельності мітохондрій в клітині. При нейродегенеративних захворюваннях виявлено пригнічення активності протеасом, що порушує гомеостаз мітохондрій в клітині і сприяє прогресу мітохондріальної дисфункції. Це об'єктивно підтверджується можливістю індукції мітохондріальної дисфункції за допомогою інгібіторів функцій протеасом. Наслідком цих процесів є активізація макроавтофагії мітохондрій і накопичення в лізосомах ліпофусцину — продукту неповної деградації мітохондріальних компонентів, що призводить до зниження активності деградації білків за допомогою автофагії. Накопичення ліпофусцину в міру старіння показане для кліток мікроглії, супроводячись збільшенням концентрації мРНК прозапальних і протизапальних цитокінів. В цілому, порушення процесів утилізації мітохондрій призводять до зниження кількості функціонально повноцінних мітохондрій, накопиченню продуктів їх неповного розпаду в нервових клітинах, ослабленню резистентності, розвитку нейродегенеративних змін.

Порушення транспорту і внутрішньоклітинного розподілу мітохондрій

Пригнічення аксонального транспорту мітохондрій під впливом дефектних форм τ-білка і гантінгтіну приводить до порушення забезпечення енергією відростків нервових клітин, основним наслідком чого є порушення синаптичної передачі і дегенерації синапсів. Встановлено, що над-експресія людського τ-білка у моторних нейронах личинок Drosophila melanogaster приводить до редукції функціонально-повноцінних мітохондрій в пресинаптичних терміналях, сприяючи при цьому порушенню синаптичної передачі сигналів. При трансфекції гена τ-білка у зрілі нейрони гіпокампу спостерігалося порушення його розподілу в клітинах, пригнічення транспорту мітохондрій і інших органел з подальшою дегенерацією синапсів. Встановлено, що експресія мутанта гантінгтіну ослабляє аксональний транспорт органел нервових клітин, у тому числі й мітохондрій. Таким чином, порушення транспорту і розподілу мітохондрій в нейронах є додатковим чинником, сприяючим розвитку дегенеративних процесів в нервовій тканині.

Висновок

Таким чином, механізми формування мітохондріальної дисфункції в умовах розвитку нейродегенеративних процесів характеризуються багатогранністю і складністю. Це визначається різноманітністю білків-мутантів, що асоціюються з нейродегенеративними захворюваннями і комплексністю їх негативної дії. Універсальним механізмом розвитку мітохондріальної дисфункції в даному випадку є стрес ЕР, сприяючий збільшенню концентрації кальцію в цитозолі, активізації мітохондріальних механізмів ПКС і процесу мітофагії. Ряд протеїнів-мутантів і їх агрегати (білок-попередник β-амілоїду, α-синуклеїн) здатні здійснювати токсичний ефект безпосередньо на мітохондрії. Дані білки утворюють комплекси з мітохондріальними структурами, пригнічують активність АТФ-синтази, порушують процеси імпорту в мітохондрії білків з цитозоля транслоказами (Tom40, Tim23) і можуть утворювати пори в мембранах. Це сприяє зниженню продукції АТФ, порушенню роботи електронно-транспортного ланцюга і падінню трансмембранного потенціалу мітохондрій. Цікавим є розвиток нейродегенеративних процесів як наслідок порушень деяких мітохондріальних білків: супероксиддисмутази-1, Dj-1, фратаксину, мітохондріального Hsp60. Експресія даних протеїнів сприяє порушенню антиоксидантного захисту, гомеостазу заліза, утилізації дефектних протеїнів в мітохондріях.

Спостережувані при нейродегенеративних процесах порушення внутрішньоклітинної динаміки мітохондрій також здійснюють негативний ефект на функції даних органел. Спадкова і набута функціональна недостатність системи фрагментації і злиття мітохондрій, асоційована з розвитком паркінсонізму і ХА, приводить до формування мітохондріальної дисфункції і активізації процесів ПКС. Висока активність в нервових клітинах мітофагії, як і ослаблення елімінації органел, що мають структурно-функціональне порушення, можуть сприяти зсуву балансу між функціонально повноцінними і дефектними мітохондріями. Додатковим чинником, сприяючим розвитку дегенеративних процесів в нервовій тканині, є порушення транспорту і розподілу мітохондрій в нейронах, що приводить до формування у відростках нервової клітини областей з дефіцитом мітохондрій і порушення синаптичної передачі сигналів із зниженням пластичності синаптичних контактів.

Таким чином, в патогенезі нейродегенеративних захворювань мітохондрії є важливою ланкою, інтегруючою сигнали ЕР, що знаходиться в стані стресу, прямі і непрямі дії протеїнів-мутантів. Розглянуті вище закономірності вимагають подальшого вивчення, що сприятиме створенню більш цілісної картини патогенезу багатьох нейродегенеративних захворювань. Різноманіття механізмів розвитку мітохондріальної дисфункції і універсальність принципів її участі в патогенезі різних нейродегенеративних змін представляє значний науково-практичний інтерес для формування стратегії профілактики і лікування нейродегенеративних захворювань.

Підготував Юрій Матвієнко

Література

  1. Bader V, Winklhofer KF. Mitochondria at the interface between neurodegeneration and neuroinflammation. Semin Cell Dev Biol. 2020 Mar;99:163-171.
  2. Bhat AH, Dar KB, Anees S, Zargar MA, Masood A, Sofi MA, Ganie SA. Oxidative stress, mitochondrial dysfunction and neurodegenerative diseases; a mechanistic insight. Biomed Pharmacother. 2015 Aug;74:101-10.
  3. Chan DC. Mitochondrial Dynamics and Its Involvement in Disease. Annu Rev Pathol. 2020 Jan 24;15:235-259.
  4. Lin MT, Beal MF. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases. Nature. 2006 Oct 19;443(7113):787-95.
  5. Macdonald R, Barnes K, Hastings C, Mortiboys H. Mitochondrial abnormalities in Parkinson's disease and Alzheimer's disease: can mitochondria be targeted therapeutically? Biochem Soc Trans. 2018 Aug 20;46(4):891-909.
  6. Monzio Compagnoni G, Di Fonzo A, Corti S, Comi GP, Bresolin N, Masliah E. The Role of Mitochondria in Neurodegenerative Diseases: the Lesson from Alzheimer's Disease and Parkinson's Disease. Mol Neurobiol. 2020 Jul;57(7):2959-2980.
  7. Nunnari J, Suomalainen A. Mitochondria: in sickness and in health. Cell. 2012 Mar 16;148(6):1145-59.
  8. Perrone M, Caroccia N, Genovese I, Missiroli S, Modesti L, Pedriali G, Vezzani B, Vitto VAM, Antenori M, Lebiedzinska-Arciszewska M, Wieckowski MR, Giorgi C, Pinton P. The role of mitochondria-associated membranes in cellular homeostasis and diseases. Int Rev Cell Mol Biol. 2020;350:119-196.
  9. Zhunina OA, Yabbarov NG, Grechko AV, Yet SF, Sobenin IA, Orekhov AN. Neurodegenerative Diseases Associated with Mitochondrial DNA Mutations. Curr Pharm Des. 2020;26(1):103-109.