Повреждений и мутаций в митохондриальной ДНК, значительно превосходящими повреждения ядерной и теломерной ДНК [25 ].
Восприимчивость мтДНК к поражениям и мутациям. Мутации в митохондриальном геноме заслуживают особого внимания, поскольку они возникают со скоростью в 16 раз большей, чем в ядерной ДНК. Наиболее обильным среди продуктов окисления нуклеотидов является 8-ОГ.
Экстраординарную способность мтДНК к мутагенезу связывают с рядом ее специфических особенностей. В отличие от ядерной ДНК, мтДНК не защищена гистонами и не имеет эффективной системы репарации, аналогичной системе репарации ядерной ДНК. Известно, что мтДНК прикреплена к внутренней митохондриальной мембране, в которой дыха-тельной цепью непрерывно продуцируется значительное количество активных форм кислорода [8, 32]. Сверх того показано, что некоторые области мтДНК (например, Д-петля — контрольная область инициации репликации) особенно чувствительны к окислительной атаке активных радикалов и склонны к повышенному уровню мутагенеза [33, 34]. Многие из соматических мутаций мтДНК в раковых опухолях человека локализованы именно в Д-петле и в особенности на протяжении полицитидинового тракта (С-тракт), названного D310. Область D310 обнаруживает вариабельность полиморфной длины у разных индивидов: она описана как «горячее пятно» для соматических мутаций мтДНК во многих типах рака [35]. Например, многократные мутации в контрольной области мтДНК фиксировались в опухоли простаты человека, что позволило предположить существование уникального митохондриального гипермутагенеза, опосредованного, вероятно, окислительным стрессом [36].
Данные о высоком уровне мутагенеза в контрольной области репликации мтДНК хорошо объясняют впервые обнаруженный еще в 60-х годах прошлого века А.П. Галкиным и И.Н. Тодоровым эффект исключительно высокой радиационной уязвимости биосинтеза мтДНК по сравнению с биосинтезом ядерной ДНК печени (опыты на крысах с ^облучением в сублетальной дозе) [37], что фактически равноценно поражающему действию активных форм кислорода.
Показано также, что «горячие точки» для окислительной модификации и мутаций мтДНК локализованы в/или около необычных структур, включая скрученную, антискрученную и отличные от В-формы структуры мтДНК человека [33, 34]. Эти структурные особенности делают мтДНК уязвимой для воздействий свободных радикалов.
Ряд наблюдений показывает, что высокая восприимчивость мтДНК к окислительному повреждению и мутациям индуцируется широким набором как эндогенных, так и экзогенных стрессогенных факторов. Дефекты мтДНК способствуют аккумуляции изменений ее структуры и функции и, соответственно, прогрессии болезней и старению [38].
Мультикопийная природа и внутриклеточное распределение мтДНК. Ввиду большого количества молекул мтДНК, которое оценивается в несколько сотен или тысяч на клетку, митохондриальную генетику по су-ществу следует признать внутриклеточной популяционной генетикой, связанной с высокой изменчивостью, дивергенцией, а также с явлениями отбора и сегрегации, что и определяет мультикопийную природу «интегрального» митохондриального генома клетки. Кроме того, внутриклеточное распределение молекул мтДНК играет важную роль в проявлении мутаций. Благодаря динамичной компартментализации молекул мтДНК внутри митохондрии, которая обусловливает способность этих молекул и/или их продуктов взаимодействовать друг с другом, существует возможность функциональных различий между митохондриями, локализованными в разных участках клетки [39]. Это обстоятельство впечатляюще иллюстрируется функциональными различиями между синаптическими митохондриями и митохондриями клеточного тела нейронов [40]. Локальные различия во внутриклеточной и изменения во внеклеточной средах могут определять генетические и функциональные пороги чувствительности органеллы, зависящей от специфики субклеточного компартмента, который в данный момент является «резиденцией» митохондрии [39 ].
Межклеточная мозаичность. Другим важным фактором, который нужно учитывать при анализе роли мутаций мтДНК в процессах старения, болезней [43] и апоптоза, является особенность их внутритканевой локализации, в частности, локализации дефектов активности дыхательных ферментов, наблюдавшихся в ряде исследований [41, 42].
Межклеточная мозаичность мутаций мтДНК позволяет оценить влияние данной мутации на межклеточную кооперацию с точки зрения функционального состояния ткани.
Материнская наследственность. Митохондрии и мтДНК человека наследуются по материнской линии [44, 45]. В зрелом овоците млекопитающих число копий мтДНК увеличивается приблизительно до 100000, тогда как в сперматозоидах содержится всего до 100 копий [46]. Тем не менее в яйцеклетку при оплодотворении может входить некоторое количество отцовских митохондрий [47]. Однако эта малая доля отцовской мтДНК в оплодотворенном овоците быстро деградирует и элиминируется после оплодотворения и на ранней стадии эмбриогенеза [48 ]. Так, большинство (но не все) мутации мтДНК передается по материнской линии, но при мужских митохондриальных болезнях генетический дефект мтДНК не может передаваться следующему поколению [49]. Почти все патогенные точечные мутации мтДНК наследуются по материнской линии.
Гетероплазмия, сортировка, пороговый эффект. Типичная клетка человека обычно содержит сотни митохондрий и тысячи копий мтДНК [50]. Теоретически все индивидуальные молекулы мтДНК идентичные — так называемые гомоплазмические. Однако два или более разных генотипов мтДНК (их примерно 10 на митохондрию) может сосуществовать в пределах одной митохондрии, клетки, органа, индивида — явление гетероплазмии. Хотя патогенные точечные мутации мтДНК, связанные с наследственной оптической невропатией Лебера, почти неизменно являются гомоплазмическими, большинство патогенных мутаций мтДНК человека гетероплазмические [51].
В результате клеточного деления некоторые доли мутантной мтДНК могут быть переданы к дочерним клеткам случайным способом. Случайная сортировка молекул мтДНК в процессе митоза и в период развития может приводить как к высокому уровню мутантной мтДНК в одних клетках, так и к низкому их уровню в других клетках [52]. Неравное разделение митохондриальных геномов в ходе цитокинеза может вызвать различия в митохондриальных генотипах между дочерними клетками, а также случайный генетический дрейф [53]. Кроме того, степень гетероплазмии в пределах клеток одной ткани может изменяться на протяжении всей жизни индивида [8]. Поврежденная митохондрия с высоким уровнем мутантных ДНК способна к пролиферации в постмитотических клетках ткани путем неизвестного пока механизма и, таким образом, увеличивать вклад мутантных мтДНК. Напротив, в быстро делящихся клетках мутантные мтДНК обычно встречаются в относительно более низком соотношении [54].
