Митохондрии встраивают собственную ДНК в мозг и сокращают жизнь человека

Энергетические центры клетки – митохондрии могут играть неожиданную роль в старении и здоровье мозга. 

Исследователи из Университета Этвеша Лоранда (Венгрия) нашли ещё один молекулярный процесс, связанный со старением. Их недавнее исследование, опубликованное в International Journal of Molecular Sciences, раскрывает новый эпигенетический механизм в митохондриальной ДНК (мтДНК), который может изменить подход к изучению старения.

Митохондрии — это небольшие структуры внутри клетки, которые содержат свою собственную ДНК. Считается, что митохондрии когда-то были отдельными организмами, которые были поглощены предками современных клеток. Теперь они являются неотъемлемой частью клеток. Митохондриальная ДНК передается исключительно по материнской линии и играет ключевую роль в развитии и жизни организма.

Обрывки ДНК, отброшенные энергетическими блоками наших нейронов, всасываются в наш ядерный геном гораздо чаще, чем предполагалось, что потенциально подвергает мозг большему риску развития опасных для жизни состояний.

 Ранее считалось, что такая интеграция ДНК, известная как NUMT, встречается редко. Однако исследование показало, что NUMT активно встраиваются в клетки мозга на протяжении всей жизни человека, особенно в префронтальную кору. Примечательно, что у людей с большим количеством ядерных митохондриальных вставок NUMT в клетках мозга наблюдалась тенденция к более ранней смертности.

Исследователи изучали образцы тканей из разных частей головного мозга, взятые посмертно у 1187 пожилых людей. Оказалось, что митохондриальная ДНК попадает в ядра клеток в основном в префронтальной коре, и это, скорее всего, происходит несколько раз в течение жизни человека.

«Мы обнаружили множество таких вставок в разных областях мозга, но не в клетках крови, что объясняет, почему десятки предыдущих исследований, в которых анализировалась ДНК крови, не зафиксировали это явление», — отмечают ученые.

«Накопление фрагментов митохондриальной ДНК можно добавить в список механизмов нестабильности генома, которые могут способствовать старению, снижению функциональности и продолжительности жизни», — поясняют авторы публикации.

Поскольку существует тесная связь между эпигенетическими модификациями геномной ДНК и биологическим возрастом, эпигенетические модификации в митохондриальном геноме могут быть аналогичным образом связаны с возрастом организма, считают ученые.

Выяснилось также, что стресс повышает вероятность попадания ДНК митохондрий в ядро. Клетки, работа которых нарушалась из-за стресса, в четыре-пять раз быстрее накапливали NUMT.

Исследователи обнаружили более серьезную проблему: внедрение митохондриальной ДНК в геном человека также может нарушать жизненно важные процессы. Митохондриальная ДНК ведет себя подобно вирусу в том смысле, что она использует разрезы в геноме и встраивается в него.

Гены могут включаться и выключаться в течение всей жизни под воздействием различных изменений в ДНК. Один из таких механизмов — метилирование, которое часто  какие-то гены отключает. Последовательность ДНК состоит из азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин. К одному из них может «прицепиться» метильная группа — «хвост» в виде определенной молекулы. Тогда ген выключается. Это не изменяет последовательность ДНК, но влияет на то, какие гены будут активны.

Если метильная группа прицепилась, например, к аденину, получившееся основание называется «метиладенин». Ученые обнаружили, что, по мере старения организмов, модификация N6-метиладенин (6мА) постепенно накапливается в мтДНК. Это явление наблюдалось у различных видов, включая червя-нематоду Caenorhabditis elegans, плодовую мушку Drosophila melanogaster и собак. Скорее всего, этот эволюционно законсервированный механизм старения есть у всех животных.

«Мы обнаружили то, что можно назвать «митохондриальными эпигенетическими часами», которые тикают с разной скоростью в зависимости от продолжительности жизни. Это дает нам новое понимание клеточных механизмов старения», — говорит доктор Лоранд Адам Штурм, ведущий автор исследования.

У некоторых нематод с помощью генной инженерии изменили накопление 6мА, сделав его вдвое медленнее. Эти черви жили в два раза дольше обычных. 

«Наши результаты открывают новые пути для понимания и потенциального воздействия на процесс старения», утверждает руководитель исследования Тибор Веллаи.

Ученые надеются, что изменения в подходах к исследованию старения приведут к более эффективным методам профилактики и лечения возрастных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания и рак. Более глубокое понимание эпигенетических модификаций митохондриальной ДНК может также помочь в разработке методов диагностики, позволяющих определять «биологический возраст» организма и прогнозировать продолжительность жизни.

Марина КЫН