 |
|
Причины митохондриальных болезней. Патогенез митохондриальных болезней.
Митохондриальные болезни.
Митохондриальные болезни - большая группа наследственных заболеваний, обусловленных нарушением структуры и биохимических процессов в митохондриях. Убедительные данные об этиологической роли мутаций в митохондриальной ДНК (мтДНК) при наследственных заболеваниях человека были получены в 1988 г.
Митохондрии - внутриклеточные органеллы, присутствующие в каждой клетке человека (кроме зрелых эритроцитов) в виде нескольких сотен копий. Их назначение — обеспечивать клетки энергией. Основные химические реакции в митохондриях происходят на внутренней митохондриальной мембране, площадь которой многократно увеличена по сравнению с внешней мембраной за счет крист (гребней), выступающих в пространство матрикса. Еще в 1963 г. было установлено, что митохондрии, в отличие от других клеточных органелл, имеют свой собственный геном, представленный единственной кольцевой хромосомой длиной в 16569 п.н. Существует ряд особенностей строения и функционирования мтДНК по сравнению с ядерным геномом. Прежде всего, это - отсутствие интронов, вследствие чего наблюдается высокая плотность и значительное уменьшение промежутков между генами по сравнению с ядерной ДНК.
Кроме того, большинство митохондриальныхм РНК не содержат 5'- и 3'-нетранслируемые последовательности. Внутренняя и внешняя цепи митохондриальной хромосомы имеют разную плотность и обозначаются как Н -тяжелая цепь и L-легкая цепь. Митохондриальная ДНК имеет D-петлю, которая представляет собой ее регуляторную область. В D-петле локализован участок начала репликации для Н-цепи. Синтез Н-цепи происходит по часовой стрелке вокруг мтДНК, после прохождения 2/3 цепи начинается репликация L-цепи, которая происходит против часовой стрелки, т.е. в обратном по отношению к Н-цепи направлении. Таким образом, репликация мтДНК предсталяет собой двухступенчатый асинхронный процесс. Выявлены также отличия генетического кода мтДНК от ядерной ДНК. В митохондриальном коде кодон AUA кодирует метионин, а не изолейцин, ядерный стоп-кодон UGA кодирует триптофан, а триплеты AGA и AGG, кодирующие аргинин в ядерной ДНК, являются терминирующими.
Причины митохондриальных болезней. Патогенез митохондриальных болезней.
|
|
|
|
Показано, что мтДНК содержит гены, которые кодируют 13 полипептидов, входящих в пять комплексов дыхательных цепей митохондрий, 22 гена транспортной РНК и 2 гена рибосомной РНК. Синтез остальных 70 белков, участвующих в процессах окислительного фосфорилирования, находится под контролем ядерных генов. Таким образом, наследственные заболевания, обусловленные нарушениями энергетических процессов в митохондриях, могут быть детерминированы мутациями как в митохондриальном, так и ядерном геноме. При мутациях в ядерных генах отклонений от менделевских типов наследования не происходит- описаны митохондриальные заболевания с аутосомно-доминантным и аутосомно-рецессивным типом наследования. Отклонения от менделевских законов типичны для заболеваний, обусловленных мутациями в митохондриальном геноме. К настоящему времени описано три типа мутаций в митохондриалы-юй ДНК - крупные делении и точковые мутации структурных и синтетических генов.
Необходимо упомянуть еще один генетический механизм возникновения митохондриальных заболеваний, который обозначается как межгеномные сигнальные эффекты. Известно, что синтез митохондриальной ДНК находится под контролем ядерных генов. Мутации в этих генах могут привести к изменению количества копий митохондриальной ДНК и возникновению феноменадеплеции (истощения) митохондрий. Таким образом, все митохондриальные болезни на основе различий в этиологии можно разделить на три большие группы:
1) заболевания, обусловленные мутациями в генах ядерной ДНК;
2) заболевания связанные с мутациями в митохондриальном геноме;
3) заболевания вызванные нарушением межгеномных сигнальных эффектов.
В настоящее время достаточно хорошо изучен патогенез митохондриальных болезней. Это стало возможным благодаря нашим знаниям биохимических процессов, происходящих в митохондриях.
Показано, что для обеспечения клетки энергией, необходимы: транспорт субстратов, их окисление, цикл трикарбоновьгх кислот, функционирование дыхательных цепей митохондрий и сопряжение окисления и фосфорилирования. Начальным этапом биохимических процессов является транспорт субстратов через мембрану митохондрий. Избирательная проницаемость мембраны достигается благодаря существованию транспортных белков - транслоказ, которые служат переносчиками дикарбоновых кислот, АТР и ADP, ионов кальция, глутамата и др. Основными субстратами митохондрий являются пируват и жирные кислоты, транспорт которых осуществляется с помощью карнитин-пальмитоил-трансферазы и карнитина. Следующий этап — окисление субстратов - происходит под действием ферментов пируват-дегидрогеназного комплекса, состоящего из трех ферментов: пируват-дегидрогеназы, липоат-ацетилтрансферазы и липоамид-легндрогеназы. В результате этих реакций образуется ацетил-СоА, который и включается в цикл трикарбоновых кислот. Утилизация жирных кислот происходит многоступенчато и осуществляется в процессе 8-окисления. В ходе этих реакций образуются электроны, которые переносятся вдыхательную цепь митохондрий. Центральный же путь утилизации углеродсодержаших молекул, приводящих к полному разложению пирувата в аэробных условиях, осуществляется через цикл Кребса. В результате этого цикла также образуются молекулы NAD и FAD, передающие свои электроны в дыхательную цепь митохондрий. Дыхательная цепь митохондрий состоит из пяти мультиферментных комплексов, четыре из которых осуществляют транспорт электронов, а пятый катализирует синтез АТР, Комплексы дыхательных цепей митохондрий находятся под двойным генетическим контролем как со стороны митохондриального, так и ядерного генома.
Таким образом, с точки зрения патогенеза можно выделить три основные группы митохондриальных болезней, которые обусловлены нарушением:
1) окисления жирных кислот, включая карнитиновый цикл;
2) метаболизма пирувата и цикла трикарбоновых кислот;
3) процессов окислительного фосфорилирования.
На основании суммирования этиологических и патогенетических факторов создана современная классификация митохондриальных заболеваний. В соответствие с этой классификацией выделяют три основные группы митохондриальных болезней, которые в свою очередь, включают несколько подгрупп.
1. Болезни, обусловленные дефектами мтДНК.
а) точковыми мутациями
б) делениями
в) изолированными дупликациями или в сочетании с делениями
2. Болезни, обусловленные дефектами ядерной ДНК:
а) мутациями, нарушающими работу электронтранспортной цепи митохондрий;
б) мутациями, нарушающими окислительное фосфорилирование;
в) мутациями, вызывающими дефекты ферментов цикла Кребса;
г) мутациями, нарушающими утилизацию субстратов;
д) мутациями, нарушающими транспорт субстратов.
3. Болезни, обусловленные дефектами мтДНК, которые вызваны нарушением ядерной ДНК.
а) тканеспецифическими делециями или дупликациями мтДНК;
б) истощением (деплецией) мтДНК.
В данном разделе будут рассмотрены только те митохондриальные заболевания, которые обусловлены мутациями в митохондриальном геноме, так как именно для них характерен нетрадиционный тип наследования.