КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 21-75-20145
НазваниеПоиск и анализ детерминант соматической митохондриальной гетероплазмии пожилых людей
РуководительГунбин Константин Владимирович, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта", Калининградская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2021 г. - 2024 г. |
Конкурс№51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Объект инфраструктуры Центр коллективного пользователя в области геномики.
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-201 - Гериатрия и геронтология
Ключевые словамитохондриальная гетероплазмия, соматические мутации, делеции, точечные замещения, старение, секвенирование, уровень экспрессии генов, генетический груз
Код ГРНТИ76.03.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Старение является крайне сложным и комплексным процессом. Во-первых, оно ассоциировано с множеством признаков, таких как (i) укорочение теломер, (ii) изменение профиля экспрессии генов (например, падение уровня экспрессии генов, вовлеченных в иммунную систему и митохондриальный метаболизм), (iii) увеличение транскрипционного шума, (iv) накопление неправильно свернутых белков, (v) накопление соматических мутаций в ядерном и митохондриальном геномах и так далее. Во-вторых, среди всех этих признаков крайне сложно выделить главные (движущие) факторы, приводящие к старению, и второстепенные (сопутствующие) факторы, являющиеся лишь следствием старения (нейтральным следствием движущих факторов).
Среди множества этих признаков митохондриальный геном занимает особое место, поскольку для него предложен движущий механизм, объясняющий каким образом митохондриальные соматические мутации могут приводить к некоторым фенотипам старения - нейродегенерации и мышечной дистрофии. Митохондриальный геном (i) мутирует по крайней мере в 10 раз быстрее, чем ядро и (ii) подвержен дополнительному отбору внутри хозяйской клетки. Сочетание высокого темпа мутирования и внутриклеточного отбора приводят к тому, что митохондриальный геном может становиться более “опасным” с возрастом, накапливая эгоистичные мутации; причем непролиферирующие (постмитотические) ткани наиболее уязвимы для таких эгоистичных мутантов - поскольку хозяйские клетки более не делятся, таким образом не конкурируют друг с другом. Так например, на нейронах головного мозга человека было продемонстрировано появление первых митохондриальных соматических делеций в возрасте 40-50 лет (doi:10.1038/ng1778); далее эти делеции могут достигать высокого процента гетероплазмии внутри хозяйской клетки, и таким образом приводить к деградации всего нейрона через несколько десятков лет. Схожий процесс накопления соматических митохондриальных делеций с возрастом был продемонстрирован на клетках скелетной мускулатуры (doi: 10.1111/acel.12520). Важно подчеркнуть, что митохондриальные соматические делеции в нейронах и клетках скелетной мускулатуры накапливаются с возрастом у всех людей (а не только у больных) и, таким образом, они ассоциированы с нормальным процессом старения (healthy aging), характеризующимся ослаблением умственных и физических способностей человека.
Митохондриальные соматические делеции вредны, однако даже среди здоровой выборки населения существует колоссальная изменчивость в возрасте появления делеции и в скорости её экспансии: у кого-то первая делеция становится детектируемой в 20 лет, а у кого-то в 60 лет; у кого-то делеции размножаются крайне быстро и приводят к гибели хозяйской клетки за 10 лет, а у кого-то - за 50 лет. На вопросы, почему, каковы причины такой изменчивости, мы фактически не можем ничего ответить. Нами было разработано несколько гипотез, объясняющих возможные причины этой изменчивости (npre.2008.2399.1; doi: 10.1016/j.tig.2010.05.006; doi: 10.1111/acel.12231), однако, до сих пор мы не могли их протестировать из-за отсутствия больших популяционных данных. Интересно, что все работы, цитируемые нами, были проведены на крайне маленьких выборках (девять образцов мозговой ткани человека - Nature Genetics - doi:10.1038/ng1778, четыре образца мозговой ткани человека - Trends in Genetics - doi: 10.1016/j.tig.2010.05.006), что обусловлено сложностью получения образцов (особенно нейронов, для чего нужны постмортальные образцы), а также технической сложностью анализа митохондриальной гетероплазмии.
В нашем проекте мы планируем решить обе эти проблемы, тормозящие прогресс в понимании митохондриальной компоненты старения, анализируя биопсии мышечной ткани (вместо нейронов) и используя методы секвенирования, недоступные научному сообществу ранее (5-10 лет назад). Мы планируем проанализировать динамику митохондриальных соматических мутаций в мышечных тканях (биопсии) для 450 пожилых добровольцев в Калининградской области и Москве (аналогов данной выборки не существует в мире).
Помимо пожилых людей мы также планируем проанализировать митохондриальную гетероплазмию у пациентов с ДЦП. Так как ДЦП является примером патологического старения, наличие в нашей выборке таких пациентов позволит помимо нормального старения исследовать также и патологическое старение, а именно его митохондриальную компоненту. Мы также собираемся учитывать информацию о тяжести формы ДЦП тем самым проверим связь уровня митохондриальной гетероплазмии с тяжестью течения ДЦП.
Сотрудничая с Центром коллективного пользования в области геномики Сколковского института науки и технологии мы сможем оценить глубокую гетероплазмию (включая очень редкие варианты с частотой один и более процент) в каждом образце клеток мышечной ткани и клеток крови. Дополнительно, для каждого пожилого добровольца мы заполним анкету для оценки индивидуальных особенностей его образа жизни, а также оценим его состояние физического здоровья и когнитивных способностей по широко принятым показателям таким как ИМТ (BMI), скорость походки (gait speed), тест Рейвена и др. Для 50 образцов с наиболее низким и 50 образцов с максимально высоким уровнем гетероплазмии мы дополнительно отсеквенируем полные транскриптомы мышечных тканей.
Реализация данного проекта позволит впервые выявить основные детерминанты уровня митохондриальной соматической гетероплазмии у человека, среди которых мы рассмотрим средовые (возраст, образ жизни, состояние здоровья) и генетические (митохондриальный геном: нуклеотидные повторы, редкие полиморфизмы, копийность; ядерный геном: уровни экспрессии генов, редкие полиморфизмы) факторы.
Помимо фундаментальных вопросов о биологии старения, данный проект позволит обнаружить биомаркеры (изменения уровня экспрессии генов или структуры митохондрий), ассоциированные с высокой митохондриальной гетероплазмией и ранним старением.
Население Калининградской области представляет собой разнообразную генетическую смесь (набор разных митохондриальных гаплогрупп включает в себя, например, типичные гаплогруппы Сибири и Казахстана) разных народностей бывшего СССР, изучая которое мы сможем получить наиболее робастные и универсальные результаты.
Когорта 450 пожилых людей, анализируемая в данном проекте будет первым шагом в долгосрочной инициативе Калининградской области по развитию персонализированной медицины, медицинской генетики, социальной и превентивной медицины (https://www.kantiana.ru/news/151/223142/).
Ожидаемые результаты
В данном проекте мы планируем описать основные факторы (как генетические - митохондриальный и ядерный геном, так и средовые - образ жизни и общее состояние здоровья), ассоциированные с грузом митохондриальных соматических мутаций в мышечной ткани пожилых людей.
Мы фокусируемся на естественной вариабельности в популяции человека (генетическая изменчивость ядерных и митохондриальных генов, изменчивость в образе жизни) и изучаем когорту 450 независимых (самостоятельно живущих без постоянного медицинского ухода медицинскими работниками или родственниками) пожилых людей (70 и более лет), стратифицированных по полу (50% мужчин и 50% женщин). Для каждого человека мы (i) оценим митохондриальную соматическую гетероплазмию в клетках мышечной ткани и крови, (ii) исследуем его состояние здоровья (ИМС, скорость походки, когнитивные способности и пр.) и получим подробную информацию о его образе жизни (анкета). Для подвыборки с минимальным (45 человек) и максимальным (45 человек) уровнем гетероплазмии мы проанализируем дополнительно полные транскриптомы мышечной ткани. Хранение тканей позволит нам в будущем расширить спектр наших вопросов и, при необходимости, проанализировать полные ядерные геномы или экзомы.
Помимо пожилых людей мы также планируем проанализировать митохондриальную гетероплазмию у пациентов с ДЦП. Известно, что дети с различными формами ДЦП имеют проблемы с мышечным тонусом, двигательной активностью, у них могут наблюдаться спазмы и судороги, при этом данных о том, как при данной патологии меняется копийность, метаболизм митохондрий и уровень митохондриальной гетероплазмии, на сегодняшний день нет. Также ДЦП является примером патологического старения. Таким образом, наличие в нашей выборке таких пациентов позволит нам помимо митохондриальной компоненты нормального старения исследовать также митохондриальную компоненту патологического старения. Важно отметить, что существует несколько форм ДЦП с разной этиологией и степенью тяжести. Данную информацию мы также будем учитывать в наших анализах для проверки связи уровня митохондриальной гетероплазмии с тяжестью течения ДЦП.
Мы планируем взять венозную кровь и биопсию мышечной ткани из нижних конечностей у 25 пациентов с ДЦП в возрасте 7-18 лет, а также у 25 здоровых детей в той же возрастной категории и с таким же половым соотношением в качестве контроля.
Наша выборка не будет иметь аналогов в мире: мы планируем проводить глубокий молекулярный анализ гетероплазмии мышечных тканей, который раньше было возможно делать лишь на единичных пациентах, на популяционном уровне - на сотнях людей. Это позволит нам ответить на ряд совершенно новых вопросов. Ниже мы перечисляем их, ранжируя по степени важности:
1) Почему при одном и том же возрасте некоторые люди имеют высокую гетероплазмию, а некоторые - низкую? Коррелирует ли это с их общим состоянием здоровья и образом жизни? Или же это в основном детерминировано генетическими особенностями: свойствами митохондриального (например нуклеотидными повторами) или ядерного (уровнем экспрессии определенных генов, вовлеченных в митохондриальный метаболизм) геномов?
Рассматривая гетероплазмию как молекулярный фенотип, изменчивость в этом фенотипе мы сможем объяснить генетическими (уровни экспрессии генов, генетические варианты в митохондриальном геноме) и средовыми (образ жизни человека, его статус здоровья) факторами. Если, например, только средовые факторы коррелируют с гетероплазмией и мы не видим никаких генетических компонент, то скорее всего среда (образ жизни) в основном определяет гетероплазмию. Если же, наоборот, только генетическая изменчивость коррелирует с уровнем гетероплазмии, то мы сможем предположить, что данная генетическая изменчивость определяет гетероплазмию и, возможно, влияет на здоровье пожилых людей. Сложные фенотипы (каковым является гетероплазмия) часто детерминированы как средой, так и генотипом, для чего мы будем проводить статистические анализы, выявляющие силу эффекта среды и генетики на гетероплазмию. Данные вопросы до сих пор не изучались на популяционном уровне.
Исходя из литературных данных и нашего опыта мы можем предположить несколько возможных сценариев, как средовые и генетические особенности могут влиять на гетероплазмию. Например, повышенная гетероплазмия может быть обусловлена редкими вредными нуклеотидными замещениями в гене митохондриальной гамма ДНК полимеразы (POLG), или в других ключевых генах, вовлеченных в митохондриальный метаболизм (doi:10.1038/nature02517). Известно также, что у генов, вовлеченных в митохондриальный метаболизм, уровень экспрессии с возрастом понижается (doi:10.1038/ncomms9570), однако падение уровня экспрессии генов строго индивидуально, и мы, например можем увидеть, что пожилые люди с низкой гетероплазмией имеют выше предсказанного для их возраста уровень экспрессии ключевых генов, вовлеченных в митохондриальный метаболизм. Повышенная частота соматических делеций может быть ассоциирована с митохондриальными генотипами, обогащенными прямыми нуклеотидными повторами (doi: 10.1016/j.tig.2010.05.006). Мы ожидаем также, что активный образ жизни человека (правильное питание, физические нагрузки, умственная деятельность) может понижать уровень гетероплазмии (doi: 10.1186/s13395-016-0075-9). Повышенная гетероплазмия может также наблюдаться у митохондрий которые объединены в единую сеть, а не разделены на отдельные органеллы, поскольку контроль качества (отбор против эгоистичных геномов) ожидается сильнее в случае отдельных митохондрий (doi: 10.1242/jcs.197269).
2) Гетероплазмия в мышечной ткани и клетках крови - сходства и отличия? Для каждого из 500 человек мы оценим спектр соматических вариантов (какие мутации и в какой частоте) в двух разных тканях - крови и мышцах. В нашем исследовании мы планируем сконцентрировать внимание именно на ДНК и РНК, выделенных только из лейкоцитов периферической крови (клеточная фракция), и не предполагаем проведение исследования ДНК и РНК жидкостной фракции крови (cell-free). В этой связи важно отметить, что кровь - быстро пролиферирующая ткань, тогда как скелетные мышцы - не пролиферирующие и, таким образом, мы ожидаем, что спектр соматических митохондриальных мутаций должен быть разным. Например, основываясь на литературных данных, мы ожидаем, что делеции в основном будут наблюдаться в мышечной ткани, тогда как точечные и в среднем менее вредные (менее эгоистичные) мутации, будут превалировать в крови. Однако, до сих пор не известно - есть ли сходства между спектрами соматических мутаций, сегрегирующих в кровяных и мышечных клетках одного и того же человека? Например, если некоторые генетические варианты уже присутствовали в яйцеклетке, то они могут быть общими - наблюдаться как в клетках крови, так и в клетках мышечной ткани. Однако, беря во внимание разные направления отбора, один и тот же генетический вариант может быть нейтральным в мышечных клетках и вредным в кровяных и наоборот. В связи с этим крайне интересен будет анализ частот общих гетероплазмий - гетероплазмий, которые с ненулевой частотой наблюдаются в обеих тканях данного человека. Какие типы мутаций (беря во внимание только общие) более часты в кровяных клетках, а какие - в мышечных? Мы сможем разделить все наблюдаемые соматические мутации на категории общих (часто присутствующих как в клетках крови, так и в мышечных клетках), мышечно-специфических (превалирующие в мышечных клетках) и крове-специфических мутаций (превалирующие в крови). Важно подчеркнуть, что такого рода попарные анализы (контрасты) будут проводиться между двумя тканями внутри каждого человека, и выборка 450 пожилых и 50 молодых людей предоставит уникальную возможность выявить особенности отбора в сравниваемых тканях, а также оценить эффекты отдельных мутаций. Больших популяционных исследований, в которых для одного и того же человека была бы изучена гетероплазмия в разных тканях, на данный момент не существует.
3) Гетероплазмия и пол - есть ли отличия в гетероплазмии между мужчинами и женщинами?
Широко известно, что многие митохондриальные заболевания сильнее проявляются у мужчин (mother's curse: doi.org/10.1016/j.cub.2012.07.066 ). Недавно появились первые свидетельства того, что не только митохондриальные, но и ядерные мутации, в среднем, имеют более вредный эффект в мужчинах по сравнению с женщинами (female-protective model: doi: 10.1016/j.ajhg.2014.02.001). Возможно, что схожие эффекты мы можем наблюдать не только на герминальных патогенных мутациях, ассоциированных с болезнями, но также и на соматических мутациях. До сих пор данный вопрос не был исследован. Наша когорта пожилых людей, стратифицированных по полу даст прекрасную возможность ответить на несколько вопросов: выше ли при всех прочих равных (схожий возраст и образ жизни) гетероплазмия у мужчин? какой тип мутаций (общие, крове-специфичные или мышечно-специфичные) более неравномерно распределен между полами? контрастнее ли соматический мозаицизм (отличие между кровяными и мышечными гетероплазмиями, что косвенно может говорить о скорости мутирования) у мужчин?
4) Гетероплазмия и копийность митохондриальных геномов - есть ли компенсация?
Вредные мутации в митохондриальном геноме могут быть скомпенсированы повышенной копийностью митохондриального генома. В нашем проекте для каждого человека и каждой ткани мы планируем оценить количество копий митохондриальных геномов как отношение числа копий митохондриального генома к ядерному геному (смотрите нашу недавнюю работу doi.org/10.1080/24701394.2018.1436170). Эти данные позволят нам ответить на ряд интересных вопросов: происходит ли подобного рода компенсация в случае вредных соматических мутаций? как меняется копийность митохондриального генома в мышцах и клетках крови с возрастом? Есть ли половые различия?
5) Уровни экспрессии в свежих препаратах биопсии и постмортальные образцы - насколько сильны отличия? Один из крупных проектов по исследованию уровней экспрессии генов в разных тканях человека - GTEx (https://gtexportal.org/home/). В данном проекте на данный момент доступны уровни экспрессии скелетной мускулатуры для 491 образца. В проекте GTEx проанализированы лишь постмортальные образцы тканей, поэтому наша работа позволит сравнить профили уровней экспрессии генов в прижизненных (наши данные) и постмортальных (GTEx) биоптатах мышечной ткани. Это технический вопрос, однако он поможет ученым корректнее интерпретировать результаты, полученные на транскриптомах постмортальных тканей.
6) Социальная и превентивная медицина.
Помимо фундаментальных вопросов, описанных выше, наш проект несет в себе также социально значимую составляющую. Его реализация будет первым шагом в долгосрочной программе по развитию медицинской генетики, социальной и превентивной медицины. Наработки, сделанные в нашем проекте (анкета, информированное согласие пациентов, реклама и подбор волонтеров, просвещение населения, обратная связь с пациентом, консультации) могут стать основой будущего популяционного геномного центра в Калининграде. С разрешения участника исследования, все наши результаты (как анкета, так и генетические данные) будут привязаны к электронной медицинской карте, которая в данный момент покрывает более 90% населения Калининградской области. Опыт внедрения генетических данных в электронную медицинскую карту в частности и систему здравоохранения Калининграда в целом может стать первым шагом эволюции классической медицины в сторону медицины, использующей помимо стандартных источников информации о пациенте также новый источник информации - наш геном.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Постер - https://drive.google.com/file/d/1gP1pS8N2iLl7sRyFVAFbJQq3HGUIrcbs/view?usp=sharing
1. Мы адаптировали и тщательно проработали протоколы по выделению и обогащению фракции мтДНК из мышечной ткани с выходом нуклеиновой кислоты в диапазоне 500-800 нг, пригодной для пробоподготовки к секвенированию без использования этапа амплификации (PCR-free)
2. Мы разработали и протестировали простую и надежную систему оценки чистоты мтДНК относительно примесей геномной ДНК. В качестве целевого фрагмента для амплификации геномной ДНК мы выбрали участки ALU-повторов - коротких диспергированных ядерных элементов (SINEs) длиной от 100 до 900 п.о. Конкретно в данном исследовании мы остановились на семействе AluS(x) повторов и подобрали праймеры к участкам 5B- и 3B-плечей повторов так, чтобы амплифицировать фрагменты от 200 до 600 п.о. (детали и результаты амплификации приведены в Приложении 9).
По результатам предварительных работ по обогащению и анализу чистоты мтДНК от примесей геномной ДНК выделена группа образцов (32 образца), пригодных для проведения пилотного эксперимента по секвенированию
3. Адаптировали и протестировали комплекс психологических и неврологических тестов на выборке из 60 пациентов в возрасте 50-80 лет. По предварительным результатам тестов удалось разбить пациентов на когорты с (а) незначительными когнитивными расстройствами, (б) умеренными когнитивными расстройствами
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Старения населения, а именно неуклонный рост доли лиц старше 65 лет, является одной из важнейших социальных проблем современного мира. Важно отметить, что с каждым годом дисбаланс в пропорциях возрастных групп будет только нарастать. (ВОЗ). Демографическое старение ставит перед научным сообществом вопросы о механизмах развития старения, профилактики болезней пожилого возраста и мерах по продлению периода «здорового» (активного)старения. Среди многочисленных гипотез и теорий старения, так называемые «митохондриальные теории старения» занимают особое место, поскольку развитие старческих изменений в той или иной степени связаны с нарушением основной функции митохондрий, а именно окислением питательных веществ и производством молекул АТФ — универсального источника энергии для большинства биологических процессов в клетках.
Определяющую роль в нарушениях внутриклеточного метаболизма, по-видимому, играет накопление с возрастом аббераций в митохондриальном геноме. При этом, высокий темп мутирования в конечном итоге с возрастом приводит к накоплению митохондриальной гетероплазмии у пожилых людей, что, в свою очередь, нарушает процессы митофагии и, в конечном итоге, приводит к развитию иммуновоспалительных реакций, лежащих в основе патогенеза старения [Гончаров и др. Вестник уральской медицинской академической науки. Т.19, №3, С.: 322-332, (2022).].
Возможности отбора детерминант митохондриальной гетероплазмии для последующего анализа его ассоциаций с возрастными изменениями с внедрением в широкую научную практику полногеномного секвенирования существенно увеличились. Подготовка библиотек под секвенирование на NGS-платформах требует фракции геномного материала с высокой степенью очистки от сопутствующих контаминантов — РНК, низкомолекулярной фракции ДНК, белков или олигонуклеотидов. В случае исследования генетического материала клеточных органелл (митохондрии, хлоропласты или пластиды) дополнительно требуется очистка от фрагментов ядерного генома, который часто несет в себе транспонированные сегменты генома органелл, таких как, например, NUMT (NUclear-encoded MiTochondrial segments – ядерно-кодируемые участки мтДНК). Для поиска редких аллелей с низкой частотой встречаемости все чаще используют метод подготовки библиотек без этапа амплификации (PCR-free). Такой метод требует подготовки больших количеств исходной ДНК высокой чистоты, порядка 200-1000нг, но при этом позволяет избежать ошибок амплификации, вносимых полимеразой.
Целью нашей работы было: разработка методических подходов по получению большого количества геномного материала высокой степени очистки из митохондрий клеток мышечной ткани.
Составлен новый гибридный протокол выделения митохондрий из мышечной ткани. Для лизиса мышечной ткани были протестированы несколько буферов и ферментов, выбрана коллагеназа поджелудочной железы краба. Разработан воспроизводимый метод обогащения фракции мтДНК - с выделением интактных органелл, последующей двукратной очисткой от примесей линейной яДНК и РНК и лизисом митохондриальной мембраны. Были опробованы методы контроля чистоты мтДНК относительно геномной ДНК - с помощью методов ПЦР с амплификацией участков повторов AluSx (введен в качестве нового надежного контроля), с контролями по участкам гена b-актина, ND5.
Мы планируем раскрыть дополнительные (к возрасту) факторы, потенциально влияющие на скорость мутагенеза мтДНК и клональную экспансию соматических мутаций мтДНК. Среди таких факторов мы рассматриваем гаплогруппы мтДНК, ядерные генотипы, а также образ жизни участников. Мы предполагаем, что соматическая мутационная нагрузка мтДНК может быть чувствительным маркером биологического возраста.
Публикации
1. Гончаров А. Г., Попадьин К. Ю., Козенков И. И. и др. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ИЗУЧЕНИЮ ДЕТЕРМИНАНТ СОМАТИЧЕСКОЙ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ГЕТЕРОПЛАЗМИИ ПОЖИЛЫХ ЛЮДЕЙ ВЕСТНИК УРАЛЬСКОЙ МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИЧЕСКОЙ НАУКИ, Т. 19, № 3, С. 322-332. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22138/2500-0918-2022-19-3-322-332
2. Попадьин К., Гунбин К., Пешкин Л., Аннис С., Флейшман З., Франко М., Крайцберг Ю., Маркузон Н., Аккерманн Р.Р., Храпко К. Mitochondrial Pseudogenes Suggest Repeated Inter-Species Hybridization among Direct Human Ancestors Genes, 13(5), 810 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/genes13050810
3. Татаркина М.А., Лобанова В.В., Козенков И.И., Ефименко Б.Э., Джигкаев А. Х., Попадьин К.Ю., Гунбин К.В., Гончаров А.Г. Isolation of highly purified genomic material from mitochondria of muscle tissue cells biorxiv, bioRxiv 2022.12.12.520064 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1101/2022.12.12.520064
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Существует несколько свидетельств, подтверждающих гипотезу о том, что соматические делеции мтДНК вызывают старение клеток. (i) Дефицитная по пруфридингу гамма-ДНК полимераза приводит к накоплению соматических точечных мутаций и делеций у мышей, что сопровождается сокращением продолжительности жизни и преждевременным старением (doi: 10.1038/ng.95). (ii) Известна ко-локализация делеций мтДНК с областями деградации миофибрилл (doi: 10.1371/journal.pone.0011468) и нейронов с дефектами дыхательной цепи (doi: 10.1038/ng1778). (iii) Наконец, дефицит нейронов с высокой гетероплазмией (> 80 %) по делециям мтДНК также говорит о деградации клеток (doi: 10.1038/ng1778). Таким образом, повышенная концентрация делеций мтДНК, скорее всего, является одним из признаков стареющих клеток. Было показано, что большинство соматических делеций мтДНК фланкированы короткими прямыми нуклеотидными повторами (doi: 10.1016/j.tig.2004.07.003) или длинными несовершенными повторами, состоящими из коротких участков прямых повторов (doi: 10.1016/j.tig.2010.05.006). Поскольку прямые повторы предрасполагают мтДНК к делециям, они рассматриваются как пример "Deleterious In Late Life" (DILL) аллелей: нейтральных или слабо повреждающих в репродуктивном возрасте, но вредных в пожилом возрасте. Отрицательная корреляция между обилием прямых повторов в мтДНК и продолжительностью жизни млекопитающих (doi: 10.1016/j.mad.2006.07.008) является дополнительным доказательством пагубного влияния повторов в мтДНК долгоживущих млекопитающих.
Хотя давно известно, что прямые повторы способствуют образованию делеций мтДНК, они объясняют лишь небольшую часть наблюдаемых делеций. В связи с этим возникают вопросы о том, почему одни повторы приводят к образованию делеций, а другие - нет, и какие еще факторы могут быть вовлечены в образование делеций. Ранее была выдвинута гипотеза, что общий повтор (два участка - 8470-8482 н.п. и 13 447-13 459 н.п.), является основным фактором образования большинства делеций (doi: 10.1016/j.tig.2004.07.003). Это означает, что общий повтор может быть важен в возникновении всех делеций мтДНК. В нашей работе (DOI: 10.1186/s12915-023-01606-1), мы предположили, что прямые повторы могут с большей вероятностью вызывать делеции, только если они находятся в непосредственной пространственной близости друг от друга. Таким образом, повышенная вероятность появления делеций вблизи общего повтора может быть обусловлена топологией мтДНК. Для проверки этой гипотезы, анализируя спектр делеций мтДНК человека в главной дуге мтДНК (major arc), которая является одноцепочечной во время репликации и характеризуется большим количеством делеций, мы обнаружили неравномерное распределение точек разрывов с двумя "горячими точками", где одна точка разрыва делеции приходилась на область 6000-9000 н.п., а другая - на 13000-16000 н.п. мтДНК. Такое распределение не объяснялось наличием прямых повторов, что позволяет предположить, что причиной могут быть другие факторы. Анализ in silico показал, что одноцепочечная ДНК главной дуги мтДНК может быть организована как крупномасштабная двойная петля (наподобие математического знака бесконечности) с контактирующей областью, расположенной в зонах между 6000-9000 н.п. и 13000-16000 н.п. мтДНК, что объясняет высокую делеционную активность в этих участках мтДНК. Прямые повторы, расположенные в пределах этих районов мтДНК в три раза чаще вызывают делеции по сравнению с прямыми повторами, расположенными вне контактной зоны. Сравнения делеций ассоциированных с возрастом и делеций ассоциированных с различными наследственными заболеваниями показало, что контактная зона мтДНК играет решающую роль в объяснении возраст-ассоциированных делеций (например, для объяснения здорового старения). В целом мы получили топологическое представление о механизме формирования возраст-ассоциированных делеций в мтДНК человека, которое может быть использовано для прогнозирования соматических делеций и даже максимальной продолжительности жизни в различных гаплогруппах мтДНК человека.
Публикации
1. В. Шаманский, А.А,. Михайлова, Е.О. Третьяков, К. Ушакова, А.Г. Михайлова, С. Орешков, Д.А. Кнорре, Н. Ри, И. Мазунин, Г.А. Базыкин, Д. Феллей, М. Танака, К. Храпко, К. Гунбин, К. Попадьин Secondary structure of the human mitochondrial genome affects formation of deletions BMC Biology, BMC Biol 21, 103 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1186/s12915-023-01606-1
2. Гончаров А.Г., Татаркина М.А., Лобанова В.В., Козенков И.И., Джигкаев А.Х., Гунбин К.В. МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДИСФУНКЦИЯ КАК ВЕРОЯТНЫЙ МЕХАНИЗМ ЗАПУСКА ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ СУСТАВОВ оссийский иммунологический журнал, РОССИЙСКИЙ ИММУНОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, Т. 26, No 4. С. 501-506 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.46235/1028-7221-13991-MDA