Гетероплазмия митохондриальной ДНК¶
Гетероплазмия — это состояние клетки или организма, при котором в одной и той же клетке присутствуют две или более генетически различные копии генома (обычно — митохондриальной ДНК, мтДНК): нормальная и мутантная. В норме каждая митохондрия содержит кольцевую молекулу ДНК, и у здорового человека все копии мтДНК в клетке идентичны (гомоплазмия). Если же часть молекул несёт мутацию, а часть остаётся нормальной, говорят о гетероплазмии. Клинические проявления при этом зависят от соотношения «здоровых» и «мутантных» копий: чем выше доля мутантной мтДНК, тем тяжелее обычно протекает заболевание.
¶Природа митохондриальной ДНК
Митохондрии — это органеллы, обеспечивающие клетку энергией. У человека мтДНК представляет собой кольцевую молекулу длиной около 16 569 пар оснований и кодирует 13 белков электронно-транспортной цепи, а также 22 тРНК и 2 рРНК. Каждая клетка содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч копий мтДНК.
Ключевое свойство мтДНК — материнское наследование: ребёнок получает митохондрии практически исключительно от матери, поскольку митохондрии сперматозоида уничтожаются после оплодотворения. Поэтому митохондриальные заболевания, в том числе обусловленные гетероплазмией, передаются по материнской линии.
¶Механизм возникновения гетероплазмии
Гетероплазмия может возникать двумя основными путями:
- Соматические мутации — случайные ошибки репликации мтДНК, накапливающиеся с возрастом. Скорость накопления мутаций в мтДНК примерно в 10–17 раз выше, чем в ядерной ДНК, из-за близости митохондрий к продуктам окислительного фосфорилирования и ограниченной системы репарации.
- Наследственные гетероплазмии — мутантная мтДНК передаётся от матери ребёнку. При этом соотношение мутантных и нормальных копий у матери и потомства может существенно различаться.
При делении клетки митохондрии распределяются между дочерними клетками случайным образом (митохондриальный дрейф), поэтому уровень гетероплазмии может меняться от поколения клеток к поколению — как в сторону увеличения доли мутантных копий, так и в сторону уменьшения.
¶Клиническое значение
Гетероплазмия лежит в основе группы заболеваний, объединяемых понятием «митохондриальные болезни». К ним относятся:
- MELAS (митохондриальная энцефалопатия, лактатацидоз, эпизоды инсульта) — наиболее часто связан с мутацией m.3243A>G в гене тРНК лейцина (MT-TL1). Уровень гетероплазмии в разных тканях варьирует: выше в мышцах и мозге, ниже в крови.
- MERRF (миоклоническая эпилепсия с разрывами красных волокон) — мутация m.8344A>G в гене тРНК лизина (MT-TK).
- Нейросенсорная тугоухость — мутация m.1555A>G в гене 12S рРНК (MT-RNR1), проявляющаяся при воздействии аминогликозидных антибиотиков.
- Синдром Лея — тяжёлая детская энцефалопатия, часто ассоциированная с мутациями в генах тРНК.
Порог проявления заболевания (threshold effect) обычно составляет 60–90% мутантной мтДНК, однако для разных мутаций и тканей этот порог различается. Это объясняет, почему носительницы мутации могут быть практически здоровыми, а у их детей болезнь проявляется в полной мере — и наоборот.
¶Диагностика
Выявление гетероплазмии требует количественных методов, поскольку обычное секвенирование даёт качественную картину. Основные подходы:
- Пиросеквенирование — позволяет определить процент мутантных копий с точностью до 1–5%.
- Количественная ПЦР в реальном времени.
- Анализ ограничительными ферментами — для известных мутаций, создающих или уничтожающих сайты рестриктаз.
- Высокопроизводительное секвенирование (NGS) — для одновременного поиска множества вариантов.
Важно, что уровень гетероплазмии в крови может не отражать её в других тканях (мышцах, мозге, почках), поэтому при подозрении на митохондриальную патологию нередко требуется биопсия мышц.
¶Гетероплазмия в онкологии
Помимо наследственных заболеваний, гетероплазмия мтДНК играет роль в онкогенезе. В опухолевых клетках часто обнаруживаются соматические мутации мтДНК, формирующие гетероплазмию, которая может влиять на энергетический метаболизм и прогрессию опухоли. Ряд исследований связывает определённые варианты мтДНК с риском развития рака молочной железы, толстой кишки и других локализаций.
¶Митохондридальная донорская перенос
С 2016 года в Великобритании разрешены процедуры, направленные на предотвращение передачи митохондриальных заболеваний: перенос ядра из ооцода пациентки в донорский ооцит с удалённым ядром (метод MRT) или перенос цитоплазмы. Эти методы позволяют снизить уровень гетероплазмии в эмбрионе до безопасного. В России подобные вмешательства в клинической практике не применяются, однако научные исследования в этой области ведутся.
¶Интересные факты
- У человека с возрастом накапливаются соматические гетероплазмии: к 70 годам в мышечных волокнах обнаруживаются клоны клеток с высоким уровнем мутантной мтДНК, что связано с возрастной мышечной слабостью.
- Гетероплазмия может быть «скрытой»: при низком уровне мутантных копий человек не проявляет симптомов, но при репродукции уровень мутантной мтДНК в ооцитах может резко возрастать.
¶Источники
- Chinnery P. F., Hudson G. Mitochondrial genetics // Handbook of Clinical Neurology, 2018.
- Stewart J. B., Chinnery P. F. The dynamics of mitochondrial DNA heteroplasmy // Nature Reviews Genetics, 2015.
- Гиндилис Э. Г., Михайлов В. С. Митохондриальные заболевания человека // Генетика, 2019.
- Медицинская генетика: национальное руководство / под ред. Н. П. Пузырёва, А. А. Мажниковой. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2021.