Поиск и анализ детерминант соматической митохондриальной гетероплазмии пожилых людей

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 проекта 21-75-20145

НазваниеПоиск и анализ детерминант соматической митохондриальной гетероплазмии пожилых людей

Руководитель Гунбин Константин Владимирович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" , Калининградская обл

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

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-201 - Гериатрия и геронтология

Ключевые слова митохондриальная 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/).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.3390/genes13050810

2. 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)
10.1101/2022.12.12.520064

3. 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)
10.1186/s12915-023-01606-1

4. 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)
10.46235/1028-7221-13991-MDA

5. 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)
10.22138/2500-0918-2022-19-3-322-332

6. А.Г. Гончаров, И.В. Реверчук, В.В. Шуплецова Воспаление в патогенезе нейродегенеративных заболеваний Цитокины и воспаление, № 2, Т. 20 (год публикации - 2024)
10.36691/CI627304

7. Гончаров А.Г., Джигкаев А.Х., Лобанова В.В., Козенков И.И., Хайбулин Э.В., Попадьин К.Ю., Гунбин К.В. ТОЧЕЧНЫЕ МУТАЦИИ В МИТОХОНДРИАЛЬНОМ ГЕНОМЕ СКЕЛЕТНОЙ МУСКУЛАТУРЫ У БОЛЬНЫХ ОСТЕОАРТРИТАМИ Российский иммунологический журнал (год публикации - 2025)
10.46235/1028-7221-17012-PMI

8. Константин В. Гунбин, Гелина С. Копейна, Борис Животовский и Алексей В. Замараев Features of the CD1 gene family in rodents and the uniqueness of the immune system of naked mole-rat Biology Direct, (2024) 19:58 (год публикации - 2024)
10.1186/s13062-024-00503-z

9. А.Х. Джигкаев, А.М. Тынтерова, И.И. Козенков, Э.В. Хайбулин, Е.В. Трофимова, К.Ю. Попадьин, К.В. Гунбин, А.Г. Гончаров Клинико-функциональный и нейропсихологический статус пациентов, поступивших на эндопротезирование суставов ГЕНИЙ ОРТОПЕДИИ, 30(5) (год публикации - 2024)
10.18019/1028-4427-2024-30-5-659-669

10. Е.В. Трофимова, И.В. Реверчук, А.М. Тынтерова, А.Г. Гончаров, А.Х. Джигкаев Предикторы и диагностические нейропсихологические критерии когнитивных нарушений в позднем возрасте у пациентов общетерапевтического профиля Психиатрия, Т. 22, №3 (год публикации - 2024)
10.30629/2618-6667-2024-22-3-47-54

11. Дмитрий Ильющенко, Богдан Ефименко, Алина Георгиевна Михайлова, Виктор Шаманский, Мурат Константинович Сапарбаев, Бахыт Тимофеевич Маткаримов, Илья Мазунин, Александр Воронка, Дмитрий Кнорре, Вольфрам С. Кунц, Филипп Капранов, Степан Денисов, Жак Фелле, Константин Храпко, Константин Гунбин, Константин Попадьин Deciphering the Foundations of Mitochondrial Mutational Spectra: Replication-Driven and Damage-Induced Signatures Across Chordate Classes Molecular Biology and Evolution (год публикации - 2025)

12. Богдан Ефименко, Константин Попадьин и Константин Гунбин NeMu: a comprehensive pipeline for accurate reconstruction of neutral mutation spectra from evolutionary data Nucleic Acids Research, 52, W108–W115 (год публикации - 2024)
10.1093/nar/gkae438

13. Тынтерова А.М., Трофимова Е.В., Гончаров А.Г., Джигкаев А.Х. ВОЗРАСТНЫЕ АСПЕКТЫ КЛИНИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ КОГНИТИВНЫХ НАРУШЕНИЙ КОМОРБИДНАЯ НЕВРОЛОГИЯ, №2, Т. 1 (год публикации - 2024)
10.62505/3034-185x-2024-1-2-21-27

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведена оценка клинико-функционального и нейропсихологического статуса пациентов, поступивших на оперативное лечение по эндопротезированию коленного и тазобедренного суставов. Исследование включало оценку социально-демографических, нейропсихологических, антропометрических показателей, изучение структуры сопутствующих заболеваний, распределение по группам крови, изучение показателей общего (в. т.ч. лейкоцитарных индексов) и биохимического анализов крови. В исследовании были установлены основные клинические и параклинические показатели, характеризующие контингент пациентов, поступающих на хирургическое лечение остеоартрозов коленного и тазобедренного суставов. Основными критическими характеристиками выборочного исследования пациентов, которые могут повлиять на послеоперационное состояние и последующую реабилитацию были: показатели динамометрии ниже пороговых значений, наличие дистресса связанного с оперативным вмешательством, снижение когнитивных функций; формирование «провоспалительного статуса», связанного как с основным заболеванием, так и наличием избыточной массы тела; ведущим сопутствующим заболеванием в исследуемой группе была гипертоническая болезнь и воспаление верхних отделов желудочно-кишечного тракта. Сформирована база данных для сопоставления с результатами исследований по уровню гетероплазмии в мтДНК в мышечной ткани [DOI: 10.18019/1028-4427-2024-30-5-659-669; DOI: 10.30629/2618-6667-2024-22-3-47-54]. 2. Изучен уровень точечных мутаций в митохондриальном геноме околосуставной мышечной ткани у пациентов с первичным и посттравматическими остеоартритами. Показано, что мутации в митохондриальном геноме околосуставной мышечной ткани, по-видимому, связаны как с процессами старения, так и с непосредственным развитием возраст-ассоциированной патологии – остеоартрита. В настоящий момент не представляется возможным выделить насколько развитие, течение и тяжесть заболевания связаны с естественными (в течение жизни) изменениями митохондрий. Выявленные у наших пациентов из экспериментальной группы повышенные частоты мутаций m.189A>G и/или m.408T>A, превышающие эти показатели в контрольной группе, связаны как с повышенным уровнем мутаций, характерным для патологического старения, так и, возможно, с генотоксическим влиянием повышенных доз НПВС на митохондрии. Изменения в клинико-лабораторных данных у добровольцев также, возможно, связаны с нарушениями в системе OXPHOS и побочными эффектами НПВС [DOI: 10.46235/1028-7221-17012-PMI]. 3. Показано, что у пациентов с остеоартритом, которые являются носителями гетероплазматических однонуклеотидных вариантов мтДНК (m.189A>G и/или m.408T>A), наблюдаются более высокие показатели мышечной силы и массы тела, выявленные после сопоставления по возрасту и полу. Эти данные указывают на возможный физиологический компенсаторный эффект, связанный с гетероплазмией этих мутаций, который может повышать способность к мышечному восстановлению в условиях гипоксии. У носителей этих вариантов мтДНК может формироваться повышенная устойчивость к воспалительным и дистрофическим изменениям скелетной мускулатуры [статья “Dynamics of m.189A>G and m.408T>A Variants in Skeletal Muscle: Rapid Selfish Expansion in Hypertrophic Fibers?” поданная в журнал Clinical Medicine Insights: Arthritis and Musculoskeletal Disorders - Manuscript ID AMD-24-0044 (находится на стадии рецензирования)]. 4. По результатам развития проекта создан программный конвейер NeMu - инструмент, основанный на филогенетических принципах и предназначенный для всестороннего и масштабируемого анализа мутационных спектров. Используя обширные данные о последовательностях из многочисленных доступных геномных проектов, NeMu быстро и точно реконструирует нейтральный мутационный спектр [DOI: 10.1093/nar/gkae438]. 5. По результатам развития проекта создан и апробирован программный конвейер глубокого анализа RNAseq данных депонированных в банке данных NCBI SRA [DOI: 10.1186/s13062-024-00503-z]. При помощи созданного конвейера, на основании анализа белок-кодирующих генов CD1 в геномах грызунов было обнаружено отсутствие у Heterocephalus glaber белков CD1d и CD1e и дисфункциональности белка CD1b.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Исследования делеций мтДНК, включая аннотацию делеций на основе различных данных, в том числе РНК, изучение механизмов их происхождения, оценку рисков делеций для разных митохондриальных гаплогрупп людей, являются одним из ключевых и стратегически важных аспектов текущего гранта. Проведенное исследование подчеркивает значимость прямых повторов мтДНК как ключевого элемента в старении и генетической нестабильности мтДНК, и предлагает методы снижения их хрупкости, что может открыть новые пути для продления жизни и улучшения здоровья в старшем возрасте. Практическое применение этой информации включает разработку методов лечения и профилактики возрастных заболеваний, таких как трансплантация митохондрий с нарушенными повторами или редактирование генома.