Исследование может послужить основой для новых стратегий, направленных на то, чтобы такие заболевания не поражали будущие поколения. Существующие методы лечения носят паллиативный характер и направлены на улучшение качества жизни пациента или замедление прогрессирования заболевания.
Исследовательская статья, опубликованная в журнале Science Advances , описывает механизм, который помогает объяснить, как определенные виды генетических нарушений, известных как митохондриальные заболевания, передаются от матери к ребенку. Исследование, о котором сообщается, может послужить основой для новых стратегий, направленных на то, чтобы такие заболевания не поражали будущие поколения. Существующие методы лечения носят паллиативный характер и направлены на улучшение качества жизни пациента или замедление прогрессирования заболевания.
Митохондрии — это органеллы, которые генерируют большую часть химической энергии, необходимой клеткам. Митохондриальная ДНК (мтДНК) содержит 16 569 нуклеотидов, подверженных мутациям. Некоторые из этих мутаций могут приводить к развитию митохондриальных заболеваний.
В то время как ядерная ДНК (знаменитая двойная спираль, кодирующая большую часть генома) наследуется от обоих родителей, мтДНК наследуется исключительно от матери.
При рождении яичники девочки уже содержат все яйцеклетки, которые у нее когда-либо будут. Во время репродуктивных циклов, которые начинаются в период полового созревания, некоторые из этих незрелых яйцеклеток развиваются под влиянием гормонов, что приводит к овуляции и, возможно, к оплодотворению.
Исследование впервые показывает, что мутантная мтДНК накапливается на последних стадиях формирования яйца. Исследователи провели эксперименты на мышах, сообщив, что доля мутантных молекул увеличивается по мере созревания яйцеклеток, что эти мутанты могут нарушать работу митохондрий и что они ответственны за развитие болезней.
Исследователи обнаружили, что не более 90% мтДНК подвергалось мутациям. Существование верхнего предела важно для понимания того, как мутантная мтДНК передается и может вызывать заболевание.
Когда мутантная мтДНК и мтДНК дикого типа сосуществуют в клетке (гетероплазмия), эффекты мутантной мтДНК могут быть замаскированы, что облегчает передачу потомству. «До сих пор никто не знал, произошло ли это накопление, но наше исследование доказало, что это происходит. Теперь, когда мы понимаем, где и как это происходит, мы можем найти способы избежать этого», — сказал Маркос Роберто Кьяратти, профессор кафедры генетики и эволюции Федерального университета Сан-Карлос (UFSCar) в штате Сан. Пауло, Бразилия.
Кьяратти и аспирант Каролина Хаберман Макабелли входят в число авторов статьи. Исследование было поддержано FAPESP в рамках двух проектов (17/04372-0 и 16/07868-4).
Кьяратти также получил стипендию Newton Advanced от Академии медицинских наук Великобритании. Он сотрудничает с группой во главе с Патриком Фрэнсисом Чиннери, последним автором статьи. Чиннери — профессор неврологии Кембриджского университета и главный научный сотрудник Wellcome Trust отдела митохондриальной биологии MRC.
«Самое эффективное лечение предполагает выявление мутации у матери, чтобы не допустить ее наследования детьми. Это контекст нашего исследования, целью которого является проверка того, какие мутации передаются, и анализ задействованного механизма. Изучение митохондриальных заболеваний в Бразилии все еще находится в зачаточном состоянии», — сказал Кьяратти.
Симптомы митохондриального заболевания варьируются в зависимости от мутации, количества поврежденных клеток и пораженной ткани. Наиболее распространенные включают слабость мышц, потерю координации движений, когнитивные нарушения, дегенерацию головного мозга и почечную или сердечную недостаточность.
Такие наследственные метаболические заболевания могут появиться в любом возрасте, но чем раньше проявляется мутация, тем больше вероятность того, что она приведет к тяжелым симптомам и даже к летальному исходу. Диагностика затруднена, обычно требуется генетическое и молекулярное тестирование, поэтому статистические данные о распространенности недостаточны.
По оценкам, заболевания, вызванные мутациями мтДНК, затрагивают не менее одного из каждых 5000 человек во всем мире. Однако частота патогенных мутаций мтДНК составляет около одной на 200. Мутация m.3243A>G, вызывающая синдром MELAS (митохондриальная энцефалопатия, лактоацидоз и инсультоподобные эпизоды), встречается примерно у 80% взрослых с патогенным гетероплазматическим мутации.
Эксперимент
Исследователи изучали генетически модифицированных мышей с двумя типами митохондриального генома: дикий тип, не вызывающий заболевания, и патогенная мутация m.5024C>T, аналогичная m.5650G>A, патогенная мутация, присутствующая у людей.
Анализ 1167 пар мать-щенок выявил сильную тенденцию самок с низким уровнем m.5024C>T к передаче более высокого уровня мутации своему потомству. Однако у самок с высоким уровнем мутации была обнаружена обратная тенденция, указывающая на очищающий отбор против высоких уровней мутации (более 90%).
Анализ ооцитов мыши (незрелых яйцеклеток) на разных стадиях развития показал увеличение уровней m.5024C>T по сравнению с мтДНК дикого типа. Это предполагает, что мутантная мтДНК предпочтительно реплицируется во время созревания ооцитов, независимо от клеточного цикла, поскольку яйцеклетки не подвергаются клеточному делению до овуляции.
Исследователи проверили несколько математических моделей, и та, которая лучше всего объяснила явление, указывала на репликативное преимущество, благоприятствующее мутантной мтДНК, и очищающий отбор, который предотвращает достижение мутацией высоких уровней.
Сначала они измерили гетероплазмию у 42 женщин и 1167 потомков. Затем они измерили уровни мутантной мтДНК в яйцеклетках на разных стадиях развития и сравнили их с уровнями мутаций в разных органах в разном возрасте.
Они обнаружили доказательства того, что результаты применимы к мышам, несущим другую патогенную мутацию (тРНК m.3875delC), и к людям, о чем свидетельствует анализ 236 пар мать-ребенок. Это указывало на положительный отбор, когда мутация передавалась от матерей с низким уровнем гетероплазмии, и очищающий отбор против высокого уровня гетероплазмии (более 90%). Они пришли к выводу, что положительный отбор является результатом предпочтения репликации мутанта по сравнению с молекулой дикого типа.
«Эта предпочтительная репликация позволила уровню мутаций достичь потолка в 90%, выше которого негативный эффект мутаций слишком велик, и другие механизмы, по-видимому, действуют на яйцеклетку, чтобы предотвратить их достижение 100%», — сказал Кьяратти.
Вскоре он планирует отправиться в Великобританию для проведения новых экспериментов. Возможным следующим шагом будет переход к этапу фармакологического лечения с целью борьбы с уровнями мутации мтДНК, чтобы предотвратить передачу заболевания. «Как только мы поймем, как накопление мутаций, ведущих к митохондриальным заболеваниям, происходит на заключительном этапе формирования яйца, мы сможем производить яйца in vitro и манипулировать ими, как фармакологически, так и генетически, чтобы снизить уровень мутаций. снижение вероятности того, что у ребенка разовьется заболевание», — сказал он.