Корисна роль «шкідливих» активних форм кисню

Лейла Мамірова

Активні форми кисню (АФК), такі як супероксид-аніон, вважаються вкрай шкідливими, оскільки вони ушкоджують білки, ліпіди і ДНК, приводячи до старіння клітин. АФК утворюються як побічний продукт клітинного дихання, яке відбувається в мітохондріях. Однак

Активні форми кисню (АФК), такі як супероксид-аніон, вважаються вкрай шкідливими, оскільки вони ушкоджують білки, ліпіди і ДНК, приводячи до старіння клітин. АФК утворюються як побічний продукт клітинного дихання, яке відбувається в мітохондріях. Однак нещодавно вчені з Іспанії виявили, що АФК всередині клітини виконують важливу компенсаторну сигнальну функцію: вони активують синтез мітохондріальної ДНК і регулюють таким чином дихальну активність клітини.

Мітохондрії - Це органели, що мають свій власний геном і здійснюють клітинне дихання (окисне фосфорилювання), в процесі якого клітини запасають енергію в аденозин-тріфосфорной кислоти (АТФ). Незважаючи на маленький розмір мітохондріального генома - всього близько 16 500 пар нуклеотидів, 37 генів, 13 їх яких кодують субодиниці білкових комплексів дихального ланцюга, - мутації в ньому асоційовані з такими важливими процесами, як старіння, комплексні хвороби людини (нейродегенеративні і м'язові), а також адаптація до холодних кліматичних умов.

Однак клітинні культури, що несуть різні мутації в мітохондріальної ДНК (мтДНК), не виявляють відхилень і характеризуються приблизно однаковим зі здоровими культурами рівнем дихання та зростання, що ставить під сумнів зв'язок цих мутацій з хворобами на рівні цілого організму.

Щоб вирішити цей парадокс, іспанські біохіміки з Сарагоси і Мадрида, автори недавній статті в журналі Nature genetics, вивчили активність дихання клітинних ліній, що володіють одним і тим же ядерним геномом, але розрізняються мітохондріальними геномами. Ці клітинні лінії були отримані шляхом утворення клітинних гібридів - злиттям без'ядерної клітини (але з мітохондріями) з безмітохондріальной (але з ядром).

Всього з клітин мишей було сконструйовано п'ять ліній: три з нормальною мтДНК - від мишей, які не мають будь-яких фенотипічних відхилень (1, 2, 3 -- здорові), і дві лінії з мутантної мтДНК - від мишей, які характеризуються ослабленням слуху з віком або низькою здатністю до навчання (4, 5 -- хворі). Відмінності між лініями полягали лише в декількох мутації в мтДНК, одна з яких була характерна саме для хворих ліній.

Іспанські вчені виміряли рівень клітинного дихання здорових і хворих клітин. З'ясувалося, що за відсутності глюкози, на живильному середовищі з галактозою, рівень клітинного дихання у хворих клітин ліній був нижчим, і вони росли повільніше, ніж здорові. На глюкозний живильному середовищі, де у хворих клітин була можливість компенсувати недолік АТФ за рахунок гліколізу, відмінностей у швидкості зростання не спостерігалося.

При цьому виявилося, що у хворих клітинах підвищена концентрація активних форм кисню і їх важливого джерела - перекису водню (Н2О2). На цьому особливості хворих ліній 4 і 5 не закінчилися - з'ясувалося, що кількість мітохондріальної ДНК у них також помітно (на 60-90%) вище.

Отже, хворі лінії (I) гірше ростуть на галактозной середовищі (тобто у них знижена дихальна активність), (II) мають більшу концентрацію активних форм кисню і (III) мають більше мітохондріальної ДНК на клітину. Автори припустили, що дихальна здатність на одну молекулу мтДНК у хворих клітинах нижче, ніж у здорових, проте підвищена концентрація АФК індукує реплікацію мтДНК, що збільшує в клітинах хворих кількість молекул мтДНК і частково компенсує проблеми з клітинним диханням, дозволяючи підтримувати його на відносно нормальному рівні.

Щоб перевірити цю гіпотезу, учені додали в живильне середовище антиоксиданти, нейтралізуючі Н2О2 і супероксид-аніон. Однотижнева інкубація з антиоксидантами на середовищі з глюкозою не вплинула на рівень споживання кисню лініями 1, 2 і 3, а от дихальна здатність і кількість мітохондріальної ДНК у ліній 4 і 5 значно знизилися. Мабуть, антиоксиданти елімінувати у хворих лініях надлишок АФК, що спричинило за собою зниження числа копій мтДНК і дихальної здатності всієї клітини.

Коли експеримент був повторений на галактозной середовищі, антиоксиданти призвели до зниження зростання всіх ліній - і хворих, і здорових, з чого автори зробили висновок, що АФК можуть брати участь у перемиканні метаболізму з глюкозних на галактозний.

І справді, виявилося, що у відповідь на зміну глюкозний середовища на галактозную в клітинах ліній 1, 2 і 3 спостерігався вибух у виробленні АФК - що в свою чергу призводило до збільшення кількості мітохондріальної ДНК і, відповідно, до підвищення рівня клітинного дихання. Таким чином, здоровим клітинам вдавалося швидко компенсувати недолік АТФ, що виникає через припинення гліколізу. У клітинах ліній 4 і 5 вироблення АФК залишалася на колишньому рівні - мабуть, через те, що в них і так вже спостерігався надлишок активних форм кисню.

Таким чином, АФК відіграють ключову роль в одному з раніше невідомих внутрішньоклітинних компенсаторних механізмів. Коли вироблення АТФ у клітині стає недостатньої (в силу мутації або через перехід від глюкозних живлення до галактозному), збільшується вироблення активних форм кисню, які у свою чергу стимулюють збільшення числа копій мтДНК і, як наслідок, число ферментів дихального ланцюга.

Так що поряд з шкідливими функціями АФК (пошкодження білків, ліпідів і ДНК) нові дослідження все більше виявляють та їх корисні функції - такі як активація роз'єднують білків (uncoupling proteins), що регулює продукцію АТФ, і передача сигналів зростання через тирозин-кінази. Тепер виявлена ще одна роль АФК - компенсаторна регуляція активності клітинної дихального ланцюга через активацію реплікації мітохондріальної ДНК.

Правда, залишається відкритим питання про те, чи можна дану модель функціональної регуляції мітохондрій за участю АФК прикласти і до різних варіантів мтДНК людини. Якщо ця модель буде експериментально підтверджена для людини, то лікування мітохондріальних нейродегенеративних хвороб за допомогою антиоксидантів, може виявитися даремним або навіть шкідливим, оскільки буде нівелювати адаптивну компенсаторну роль АФК.

Список літератури

1) R. Moreno-Loshuertos et al. 2006 Differences in reactive oxygen species production explain the phenotypes associated with common mouse mitochondrial DNA variants// Nature genetics 38, 11, 1261-1268.

2) Joshua M. Baughman, Vamsi K. Mootha. 2006. Buffering mitochondrial DNA variation// Nature genetics 38, 11, 1232-1233.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://biology.asvu.ru