Митохондрии, которые питают все наши клетки, являются одними из самых важных органелл клетки.
Мы и эти маленькие клеточные электростанции эволюционно связаны 1,5 миллиардами лет, но митохондрии принесли с собой определенный багаж - это их собственная ДНК, когда они давным-давно объединились с более крупными и сложными клетками, и сегодня эта митохондриальная ДНК влияет на здоровье человека.
Ученые Института Солка (США) задались вопросом, что же это за влияние, и их исследование открывает новую биологическую платформу для изучения митохондриальной ДНК в физиологии, адаптации, механизмах заболеваний и разработке методов лечения. Они уже использовали эту платформу для создания библиотеки из 155 мутантных клеточных линий с митохондриальной ДНК и выявления корреляций между развитием мышей и функцией митохондрий. Платформа, библиотека и полученные результаты ускорят разработку методов лечения митохондриальных нарушений, а также помогут ученым лечить митохондриальную дисфункцию при других заболеваниях и состояниях, таких как рак или старение.
"Митохондриальная ДНК накапливает мутации с высокой скоростью и у людей было выявлено более 260 наследственных болезнетворных мутаций в мтДНК", - рассказал старший автор исследования Рональд Эванс. "До сих пор отсутствие моделей, представляющих это разнообразие, ограничивало понимание и терапевтические разработки. Наша новая платформа позволит ученым исследовать изменения митохондриальной ДНК в состоянии здоровья, при заболеваниях и эволюции, что позволит внедрять терапевтические инновации при митохондриальных нарушениях".
Митохондриальная ДНК выполняет чрезвычайно важную работу по созданию белков, необходима для производства энергии, но она также обладает особенно высокой частотой мутаций и эти мутации могут накапливаться из—за неэффективных механизмов репарации. Поскольку митохондрии являются неотъемлемой частью каждой клетки, их дисфункция может привести к дисфункции всего организма, особенно разрушительно воздействуя на такие высокоэнергетические органы, как мозг и сердце. При недостатке энергии в клетках могут начать проявляться такие симптомы, как мигрень, мышечная слабость, потеря слуха или зрения. Хроническое и обширное воздействие митохондриальной дисфункции делает ее изучение особенно важным. Попытки точно определить результат специфических мутаций митохондриальной ДНК были медленным и трудным процессом в течение многих лет.
Исследователи создавали одну за другой мышиные модели с различными мутациями митохондриальной ДНК, причем на создание одной модели иногда уходили годы. "Наша новая работа первоначально основывалась на оригинальной платформе, оказавшейся неэффективной — потребовалось много времени, чтобы создать всего один мутант митохондриальной ДНК. Благодаря некоторым технологическим усовершенствованиям и модификациям эта новая платформа стала намного эффективнее и может создавать десятки мутантов с гораздо большей легкостью", - сообщил Эванс. Новая модель - это масштабируемая платформа на основе стволовых клеток, позволяющая создавать мышей с мутациями в их митохондриальной ДНК. Теперь исследователи смогут изучить специфические симптомы мутации их митохондриальной ДНК и механизмы, с помощью которых эти симптомы возникают, — понимание, которое в дальнейшем может быть использовано для разработки целенаправленной терапии.
Платформа запускается с помощью белка, называемого митохондриальной ДНК-полимеразой, который генерирует случайно мутировавшую митохондриальную ДНК. Затем эта мутировавшая митохондриальная ДНК переносится в стволовые клетки, которые могут быть интегрированы с мышиными эмбрионами для дальнейшего изучения. Используя эту платформу, ученые создали библиотеку из 155 клеточных линий с мутациями митохондриальной ДНК, каждая из которых по-своему влияет на работу митохондрий. Затем они использовали эту библиотеку, чтобы подтвердить, что клетки могут быть использованы для получения мышей с единичными мутациями митохондриальной ДНК. Эти мыши позволили им обнаружить сильную корреляцию между функцией митохондрий и ранним эмбриональным развитием, что позволяет предположить, что для нормального развития необходим базовый уровень энергии.
"Наша библиотека - это огромный шаг вперед и она очень разнообразна, ее масштаб сопоставим с известным разнообразием мутаций, вызывающих болезни человека, - около 260", - говорит Эванс. "С помощью этой коллекции мутантных клеток мы можем изучать не только наследственные мутации, но и те, которые возникают в результате других факторов, таких как воздействие окружающей среды или старение". Новая платформа и библиотека открывают мир митохондриальной ДНК. Благодаря возможности быстрее генерировать мутанты митохондриальной ДНК, разработка методов лечения митохондриальных заболеваний и дисфункции также будет осуществляться быстрее.
Модели на мышах уже являются огромным шагом вперед в этой области, но исследователи также стремятся перейти к моделям на людях в более подходящем для человека контексте. "Большинство заболеваний человека сопровождаются митохондриальной дисфункцией или являются ее причиной", - говорит Эванс. "Прогресс в этой области был ограниченным, но эта новая платформа послужит основой для многих важных исследований, которые укажут на терапевтические подходы к борьбе с митохондриальными заболеваниями, а также с заболеваниями или состояниями, связанными с дисфункцией митохондрий, такими как рак или старение".
