Борьба с болезнями с помощью энергии клетки.

Митохондрии клетки генерируют 90% энергии тела. Могут ли ученые использовать эту силу для борьбы с болезнями и, возможно, даже старением?

Ученые часто ссылаются на митохондрии, как на энергетические фабрики клетки. И не зря. Внутриклеточные образования преобразуют пищу, которую мы едим, и воздух, которым мы дышим, в электрический потенциал, который управляет процессами клетки, такими как репликация ДНК или строительство белка. В рамках всего организма, влияние одной митохондрии мало. Потенциальная энергия внутри клетки составляет около 0,2 В. Но если сложить потенциал всех клеток человеческого организма, то получится потенциальная энергия, которая примерно эквивалентна молнии.
Дуг Уоллес (Doug Wallace) – директор Центра Митохондриальной и Эпигеномной медицины в Детской больнице Филадельфийского научно-исследовательского института и лауреат премии имени Джона Поля Янсена в 2017 году – изучает митохондрии и их ДНК в течение пятидесяти лет. Более, чем кто-либо, он понимает важность митохондрий. «Они генерируют более 90% клеточной энергии», – говорит он. «Все, что генерирует такую энергию, не может быть неважным».
И все же митохондрии, несмотря на всю энергию, которую они производят, в значительной степени игнорировались в медицине. «Все клинические специальности основаны главным образом на анатомии, поэтому у нас есть неврологи, офтальмологи, кардиологи, нефрологи, дерматологи и т. д. Но эта модель не учитывает митохондрии», – говорит Уоллес. «Поскольку разные органы полагаются на митохондриальную энергию в разной степени, частичные дефекты митохондрий приводят к специфическим симптомам, привязанным к конкретным органам».
Сейчас это положение меняется. Во главе с Уоллесом ученые теперь погружаются глубже в природу митохондриальных нарушений, которые могут играть роль во многих наших самых распространенных заболеваниях и даже в процессе старения. Эта идея – не что иное, как сдвиг парадигмы, надо сфокусировать взгляд на энергию, а не на органы. И если Уоллес прав, эта идея может изменить миллионы жизней к лучшему.
В прошлом, ученые, для ответов на проблемы болезни и старения часто обращались к природе ядерной ДНК клетки. Но Уоллес считает, что митохондриальная ДНК может быть недостающим звеном, которое может привести их к новому пониманию о болезнях и, возможно, к новым методам лечения.

ВНУТРИ МИТОХОНДРИИ

Большая часть ДНК, называемая ядерной ДНК, расположена в ядре наших клеток и содержит две копии каждого гена, которых насчитывается более 20 000. Для каждого гена один экземпляр наследуется от матери, а другой от отца. Но митохондриальная ДНК, унаследованная исключительно от матери, намного меньше и находится за пределами ядра, внутри митохондрии. Митохондрии превращают поступающие с пищей водород и углерод и вдыхаемый кислород в углекислый газ (CO2), воду и аденозинтрифосфат, или в аденозинтрифосфорную кислоту, которые сохраняют энергию.
В 1980 году Уоллес обнаружил, что митохондриальная ДНК изменяется со временем посредством последовательных мутаций. «Поскольку почти у каждого есть немного отличающаяся митохондриальная ДНК, которая обеспечивает различную эффективность в функционировании митохондрий, это создает много энергетического разнообразия клеток, которое хорошо подходит для адаптации к изменяющимся условиям. Но это также означает, что митохондрии играют важную роль в возникновении болезней», – говорит Уоллес.
«Я убежден, что митохондриальная дисфункция лежит в основе этиологии большинства распространенных сложных заболеваний, а также старения», – говорит Уоллес. Он объясняет, что человек, страдающий от хронических головных болей, может обратится к неврологу, но есть также вероятность, что «существует системный дефект производства энергии, вызывающий головную боль. При этом анатомически нет никаких проблем с мозгом». Уоллес считает, что тоже самое можно сказать о проблемах с сердцем, мышцами, почечной и эндокринной системами.

ВСЕСТОРОННЕЕ ИЗУЧЕНИЕ

В 1988 году Уоллес обнаружил первое унаследованное заболевание митохондриальной ДНК, названное Наследственной Оптической Нейропатией Лебера, которое приводит к потере зрения. К началу 2000-х годов было обнаружено еще сотни заболеваний, связанных с митохондриальной ДНК. Многие из этих генетических расстройств приводят к нехватке энергии внутри клетки организма и сопровождаются такими симптомами, как судороги, проблемы с дыханием и умственные недостатки. Веб-сайт Уоллеса под названием MITOMAP.org излагает все известные полиморфизмы и патогенные мутации, сотни из которых сотни были найдены в митохондриальной ДНК до настоящего времени.
Уоллес считает, что митохондриальные полиморфизмы могут быть важны для предрасположенности людей к целому ряду заболеваний. Недавние исследования показывают, что вариации митохондриальной ДНК могут привести ко всему: от аутизма, рака и воспаления до нейродегенеративных заболеваний. Например, одно недавнее исследование, проведенное Мемориальным онкологическим центре им. Слоуна-Кеттеринга и Кембриджским институтом Бостона, предполагает, что у многих видов рака опухолевые клетки имеют меньше копий митохондриальной ДНК, чем здоровые клетки. Исследователи также обнаружили, что количество копий митохондриальной ДНК в определенных опухолях связано с частотой мутаций, которые вызывают рак клеток, что может помочь направить новые методы лечения этих опухолей.
Митохондриальная ДНК также играет роль в старении. «Со временем мы накапливаем все больше и больше мутаций митохондриальной ДНК, которые медленно разрушают нашу способность к воспроизводству энергии», – говорит Уоллес. «Когда люди становятся старше, именно поэтому они часто жалуются, что у них нет той энергии, которая была раньше».
Что более важно, их клетки и органы не производят достаточно энергии, необходимой им для функционирования и поддержания организма. Уоллес считает, что это может привести к ряду связанных с возрастом заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Например, это применимо для больших энергоемких органов, таких, как головной мозг, который использует 20% всей производимой организмом энергии тела, – любое изменение в производстве энергии может оказать глубокое влияние на правильное функционирование этого органа.

ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛИЗАЦИИ

В 1970-х и 80-х годах Уоллес впервые разработал концепцию материнского наследования, и он использовал эту схему для определения последнего общего предка всех современных людей, так называемой Митохондриальной Евы (самому Уоллесу этот термин не очень нравится, но он нагляден). Выполняя эту работу, Уоллес заметил, что человеческие миграции обычно сопровождаются мутациями в митохондриальной ДНК, что позволяло нашим предкам приспосабливаться к новым средам обитания. Это помогло нам размножаться, но теперь оно представляет новые проблемы. Например, если кто-то с митохондриями, адаптированными к активному образу жизни, диете с низким содержанием жиров и жарким климатом, ведет преимущественно сидячий образ жизни, принимает пищу с высоким содержанием жиров и проживает в более холодном климате, то он может чувствовать себя плохо.
Уоллес считает, что глобализация может оказать глубокое влияние на сегодняшние мутации митохондриальной ДНК и что митохондриальная дезадаптация может служить основой многих хронических заболеваний. По его мнению, человеческие митохондрии сегодня часто несовместимы с их нынешним климатом и диетами, поэтому количество многих хронических заболеваний, таких как ожирение, диабет, аутизм и некоторые виды рака и нейродегенеративные заболевания, растет.
«Потребление калорий и климат многих людей больше не синхронизируются с их генетической историей», – говорит Уоллес. «Это также объясняет, почему люди с определенной наследственной родословной могут быть более восприимчивыми к определенным типам заболеваний».

БОЛЬШЕ ХОЛИСТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

В большинстве генетических исследований, которые искали ассоциации между генами и болезнями, исследователи фокусируются на вариациях ядерной ДНК, а не на митохондриальной ДНК. И все же, после десятилетий исследований, очевидно, что ядерная ДНК может содержать не все ответы, которые ищут ученые.
«Мы полностью игнорировали клеточную энергию в западной медицинской философии, – говорит Уоллес. В то время как пациенты с болезнью Альцгеймера предполагают, что им нужно посетить невролога, объясняет Уоллес, никто на Западе не собирается предлагать им посетить биохимика.
Уоллес уверен, что более целостный подход к медицине и больший акцент на роль производства энергии клеткой могут в будущем привести к новым методам профилактики и лечения болезней. Он также уверен, что значение митохондриальной ДНК должно играть более заметную роль: «Вы не можете жить без энергии», – говорит он.

ВОПРЕКИ ВСЕМУ

Сыновья Мередит Харди живут полной жизнью, несмотря на их тяжелый диагноз.
Примерно через 18 месяцев после рождения второго ребенка Мередит Харди пришлось пройти мучительное испытание. Ее дети не могли вести нормальную жизнь. Ее младший сын, Лаклан, пережил клиническую смерть, когда ему было три недели. Она провела большую часть его младенчества, оживляя его, потому что ему было трудно дышать и спать одновременно. Ее старший сын, Нильс, начал с кислотного рефлюкса и хронического запора. Затем у него были частые инфекции пазухи, и его вестибулярный аппарат и речь были затронуты. У него также была частая рвота и необъяснимые лихорадки.
После бесчисленных встреч и отсутствия диагноза, Харди и ее семья вырвались из Шарлотты, штат Северная Каролина, в Филадельфию, чтобы быть рядом с Детской больницей Филадельфии. Она подумала, что может там кто-то знает, что происходит с ее мальчиками.
Доктор Харди в Детской больнице Филадельфии сразу же заподозрил митохондриальную болезнь, которая была в конечном итоге подтверждена биопсией.
Митохондриальная болезнь является наследственной хронической болезнью, которая может присутствовать при рождении или развиваться позже в жизни. Она возникает в одном случае из 4 000 человек и может вызвать тяжелые физические и когнитивные нарушения, нарушения в развитии, с различными симптомами, начиная от плохого роста и потери координации мышц до судорог, потери зрения или потери слуха, недостаточности функций некоторых органов.
Сегодня мальчики, которым сейчас 13 и 11 лет, живут в соответствии со строгим планом лечения, который включает в себя иммуноглобинотерапию, стероиды, индивидуальный коктейль с добавками и два часа интенсивных интервальных упражнений в день. Они развиваются, и они предоставляют надежду другим семьи, которые могут столкнутся с подобными проблемами. «На данный момент, мы помогли более 60 семьям советами и нашим методом лечения», – говорит Харди.

Оригинал статьи на www.scientificamerican.com