Митохондрии и искусство поддержания целостности ДНК
В ядрах эукариотических клеток находятся линейные хромосомы, однако в наших клетках также присутствуют митохондрии с унаследованной от прокариотических предков кольцевой ДНК (хромосомой 'M').
В митохондриальной сети в состоянии здорового равновесия сосуществуют как кольцевые, так и линейные нуклеоиды. Линейные формы возникают из-за двунитевых разрывов (DSBs), которые постоянно образуются как побочный продукт остановки репликации или неудачного репарации ДНК.
Новое исследование в Nature показывает, что за деградацию линейной мтДНК отвечает тот же самый механизм, что и за её репликацию. Три ключевых белка — хеликаза TWNK, полимераза POLG и экзонуклеаза MGME1 — связываются в функциональный комплекс:
- TWNK расплетает ДНК.
- MGME1 переваривает одну цепь в направлении 5' → 3'.
- Встроенная экзонуклеазная активность субъединицы POLG (3' → 5') одновременно обрабатывает другую цепь.
Мутации, отключающие экзонуклеазную активность POLG, нарушают способность деградировать линейную мтДНК. Мутации в POLG — частая причина митохондриальных заболеваний, особенно связанных с делециями и истощением мтДНК.
Терапевтические перспективы
- Редактирование ядерного генома: Поскольку субъединицы POLG кодируются в ядре, исправить их дефектные версии возможно с помощью техник редактирования генов, например CRISPR.
- Редактирование мтДНК: Для компактной мтДНК CRISPR малоприменим. Здесь могут помочь «дизайнерские» нуклеазы (TALENs, ZFNs), способные делать разрезы в специфичных местах.
- Стратегия «очистки»: Полноценное редактирование генов может быть не нужно. Достаточно целенаправленно создать DSBs в дефектных нуклеоидах, чтобы запустить их естественную деградацию. Затем, чередуя периоды введения здоровых митохондрий (например, через трансплантацию) и терапию нуклеазами, можно «разбавить» популяцию до минимальной концентрации повреждённой мтДНК.
- Митохондриальная иммунотерапия: Иммунная система может распознавать мутировавшие митохондриальные продукты или особенности «оголённой» мтДНК (например, гипометилированные CpG-сайты). Этот принцип можно использовать для борьбы с клонально расширяющейся мутантной мтДНК, аналогично успешным методам иммунотерапии рака.
Дополнительные исследования
Учёные из Wellcome Center for Mitochondrial Research предложили модель, согласно которой характерные делеции мтДНК чаще возникают при репарации повреждений, а не из-за ошибок репликации. Экзонуклеазы, атакующие DSBs, создают одноцепочечные сегменты, которые могут спариваться с микрогомологичными последовательностями на другой мтДНК, что приводит к восстановлению, но с делецией.
Также они обнаружили, что у пациентов с митохондриальной болезнью и значительной потерей нейронов в чёрной субстанции всегда присутствуют мутации POLG. При этом у здоровых людей около половины мтДНК в нейронах чёрной субстанции уже несёт как минимум одну делецию. Разработка методов лечения таких предсказуемых повреждений — критически важная задача для быстро развивающейся области митохондриальной медицины.