Контролируемая гипоксия: учёные рассчитали связь между кислородом и мутациями в ДНК митохондрий
Анализ ста тысяч мутаций в митохондриальной ДНК, проведенный международной группой ученых, показал, что более половины генетических сбоев в «энергетических станциях» клетки вызваны окислительным стрессом. Это открытие не просто объясняет природу мутаций, а открывает путь к принципиально новому методу лечения тяжелых заболеваний — от деменции до рака. Вместо борьбы с последствиями поломок исследователи предлагают воздействовать на их первопричину с помощью контролируемой гипоксии.
Митохондриальный геном: слабое звено клеточной энергетики
Каждая клетка человеческого организма содержит не только основную ядерную ДНК, но и собственный митохондриальный геном. Эти органеллы отвечают за синтез молекул АТФ — основного топлива для всех биохимических процессов. Сбои в работе митохондрий напрямую связаны с развитием широкого спектра патологий: от нейромышечных синдромов до болезни Альцгеймера и онкологических заболеваний.
Ученые из Медицинского университета РНЦХ им. академика Б.В. Петровского и Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта совместно с зарубежными коллегами провели масштабный анализ. Для этого они изучили 118 тысяч мутаций, выявленных в митохондриальной ДНК у 1697 видов хордовых животных. Обработка столь внушительного массива данных стала возможной благодаря использованию суперкомпьютера «Минерва» БФУ.
Два источника сбоев: ошибки копирования и кислородная атака
В результате исследования были четко выделены два механизма возникновения мутаций. Примерно половину всех сбоев вызывают ошибки фермента, копирующего молекулу митохондриальной ДНК во время деления клетки. Однако оставшаяся часть мутаций — результат воздействия агрессивных активных форм кислорода, то есть окислительного стресса.
Этот вывод имеет прямое практическое значение. Если ошибки репликации заложены в самой природе процесса, то на окислительный стресс можно целенаправленно влиять. Как пояснил старший научный сотрудник Центра геномных исследований БФУ им. И. Канта Константин Попадьин, снижение уровня окислительного стресса способно оказывать терапевтический эффект. Наиболее перспективным методом для этого считается индуцированная гипоксия — контролируемое снижение содержания кислорода в клетках.
Новый взгляд на онкологию: митохондрии как источник данных об опухоли
Помимо профилактики нейродегенеративных заболеваний, результаты исследования открывают новые возможности для онкологии. Ученые выяснили, что спектр митохондриальных мутаций несет в себе информацию не только о происхождении клеток, но и об их функциональном состоянии. Анализ ДНК митохондрий позволяет определить уровень гипоксии, скорость деления и метаболическую активность клетки.
Эта информация критически важна для выявления раковых клеток, устойчивых к терапии. Именно такие клетки часто становятся причиной рецидивов и метастазов. Кроме того, по митохондриальным мутациям можно точно определить возраст опухоли и скорость ее развития. Заведующий кафедрой биологии и генетики Медицинского университета РНЦХ им. академика Б.В. Петровского Илья Мазунин подчеркнул, что эти данные позволят врачам точнее выбирать стратегию лечения и прогнозировать возрастные изменения на клеточном уровне.
Ранее считалось, что мутации в митохондриальной ДНК накапливаются хаотично. Новое исследование демонстрирует, что в этом процессе есть четкая закономерность, связанная с уровнем кислорода. Это ставит под сомнение эффективность некоторых существующих подходов к терапии, основанных на антиоксидантах, и выводит на первый план методы контролируемой гипоксии. Влияние этого открытия на клиническую практику может быть сопоставимо с внедрением таргетной терапии в онкологии, поскольку предлагает воздействовать на фундаментальный клеточный механизм, а не на отдельные симптомы болезни.
