Электронный научный журнал

Введение. Митохондрии - органеллы, обеспечивающие синтез энергии, необходимый для поддержания функциональной активности клеток. При клеточном старении функции митохондрий могут нарушаться, что приводит к окислительному стрессу. Как правило, в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых может составлять до 25% от общего объема клетки. Митохондрии содержат две мембраны, разделенные межмембранным пространством - гладкую внешнюю и складчатую внутреннюю, которая имеет очень большую поверхность. Складки внутренней мембраны глубоко входят в матрикс митохондрий, образуя поперечные перегородки - кристы [2].

В состав мембраны митохондрий входят интегральные мембранные белки. Во внешнюю мембрану включены порины, образующие поры, которые позволяют проникать внутрь мембраны веществам с молекулярной массой до 10 кДа. Внутренняя мембрана митохондрий является непроницаемой для большинства молекул. Исключение составляют О2, СО2, Н20. Внутренняя мембрана имеет высокое (до 75%), содержание белков. К ним относятся транспортные белки-переносчики, ферменты, компоненты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Матрикс также обогащен белками, которые по большей части относятся к ферментам цитратного цикла [1].

Основной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО₂ и Н₂О, сопряженное с синтезом АТФ. Таким образом, митохондрии являются «силовой станцией» клетки, поскольку за счет окислительной деградации питательных веществ в них синтезируется большая часть необходимой клетке энергии в виде АТФ.

В митохондриях протекают следующие метаболические процессы [1, 2]: превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом (цитратный цикл); синтеза АТФ в дыхательной цепи; расщепление жирных кислот путем β-окисления и частично с участием цикла мочевины; депонирование ионов кальция - поддержание концентрации Са²⁺ в цитоплазме на уровне ниже, чем 1 мкмоль/л. Количество митохондрий в клетке, их форма и количество крист является вариабельным и зависит от типа рассматриваемой клетки. Количество крист в митохондриях прямо пропорционально интенсивности окислительных процессов в клетке, так количество крист в кардиомицитах значительно больше, чем количество крист в митохондриях клеток кожного эпителия. Следовательно, вариации митохондрий зависят от функционального состояния клеток, что позволяет считать эти органеллы крайне изменчивыми и пластичными.

Роль митохондрий в процессе старения организма. В 1920 г. Раймонд Пёрл отметил, что уровень метаболизма в теле человека обратно пропорционален возрасту. Основываясь на данном утверждении, Дэнхем Гарман в 1950 г. предложил теорию старения, связанную с действием свободных радикалов. Предположение Гармана состояло в том, что образование активных форм кислорода (АФК), которые синтезируются в митохондриях, ведет к повреждению белков, липидов и ДНК клеток. Эти повреждения аккумулируются и приводят к такому процессу, как старение. Несмотря на то, что теория Гармана подверглась критике, существует связь между физиологией митохондрий и старением. Более того, работа данного органоида тесно связана с развитием воспаления и ряда заболеваний [1, 2].

При апоптозе или повреждении собственных клеток вырабатываются так называемые молекулярные фрагменты, ассоциированные с повреждением – DAMPs (damage-associated molecular pattern). Митохондрии в эукариотической клетке появились несколько миллиардов лет назад вследствие эндосимбиоза α-протеобактерий, поэтому свободно циркулирующие компоненты митохондрий могут быть распознаны в организме, как DAMPs. Предполагаемые митохондриальные DAMPs включают митохондриальную ДНК (мтДНК), N-формильные пептиды, генерируемые путем трансляции белка, кодируемого митохондриями, и уникальные виды липидов, например, кардиолипин, митохондриальный транскрипционный фактор A (TFAM), аденозинтрифосфат, активные формы кислорода [2].

Свободно циркулирующая мтДНК вызывает иммунный ответ, опосредованный влиянием на Toll-like рецепторы 9 (TCR9), а белки митохондрий через формилпептидный рецептор 1, активируют нейтрофилы. Повышенный уровень циркулирующей мтДНК, достаточен, чтобы вызвать увеличение синтеза цитокинов моноцитами [9]. Кроме того, установлено, что у пациентов с выраженными воспалительными процессами идет достоверное увеличение уровней циркулирующей мтДНК [7]. Митохондриальные АФК модифицируют основные пути иммунной сигнализации, включая индуцируемый гипоксией фактор 1 альфа (HIF1α) и транскрипциоонный фактор NF-κB [4, 5]. Митохондриальные DAMPs способствуют развитию множества воспалительных заболеваний, включая сепсис, синдром системного воспалительного ответа, ишемическое повреждение и старение. Одним из последствий разрушения митохондрий вследствие старения, помимо АФК, является высвобождение мтДНК. Уровни мтДНК в плазме постепенно увеличиваются после пятого десятилетия жизни, соотносятся с повышенными уровнями провоспалительных цитокинов (TNF-α, IL-6, RANTES, IL-1ra) [16]. Эти данные указывают на то, что мтДНК может способствовать выработке провоспалительных цитокинов при старении.

DAMP и связанные с патогеном молекулярные структуры –PAMP также могут активировать сборку воспалительного высокомолекулярного белкового комплекса, который активирует каспазу-1 [8]. Через стимуляцию NLRP3 происходит активация каспазы-1, что, в свою очередь, ведет к протеолитической активации цитокинов, таких как IL-1β и IL-18 [3]. Интересно, что активация каспазы-1 также может вызывать повреждение митохондрий [26].

Существует также доказательство того, что митохондриальный кардиолипин может напрямую связывать и активировать NLRP3 [6]. Многочисленные данные свидетельствуют о том, что АФК, образующиеся в митохондриях, участвуют в активации NLRP3 [27], хотя абсолютная потребность в окислителях неясна, так же, как и точный механизм или мишень, которые зависят от окислительно-восстановительной модификации [25]. Высвобождение мтДНК в цитозоль также может активировать воспаление [22]. Старение можно отнести к хроническому, слабому воспалению (inflamm-aging). Это утверждение особенно верно для пожилых людей, которые стареют стремительнее и демонстрируют более высокий уровень циркулирующих медиаторов воспаления, таких как С-реактивный белок, IL-6 и фибриноген [23].

Вышеописанные взаимоотношения существуют даже в отсутствие связанных с ними возрастных заболеваний (например, рака, сердечно-сосудистых заболеваний и пр.), что предполагает потенциальную причинно-следственную связь между активацией иммунной системы и ускоренным старением. Исследование функциональной активности Т-клеток пожилых людей показывает, что, хотя базовые уровни продукции цитокинов повышены, ответы на стимуляцию цитокинами снижаются [20]. Вероятно, это происходит из-за хронической активации JAK-STAT в иммунных клетках пожилых пациентов, чей уровень медиаторов воспаления увеличен [20].

Помимо стимуляции TLR9 мтДНК, существует другой способ, с помощью которого мтДНК может активировать иммунную систему. Учитывая ее эволюционное происхождение, подобно чужеродной бактериальной и вирусной ДНК, мтДНК может также распознаваться циклической GMP-AMP-синтетазой (cGAS), цитозольным сенсором двухцепочечной ДНК. После связывания с ДНК, cGAS индуцирует передачу сигналов через белок STING, что приводит к активации фактора транскрипции IRF3. В свою очередь, IRF3 стимулирует выработку IFNs I [7].

Наконец, существуют и другие значимые способы участия митохондрий в воспалении. Метаболиты трикарбоновых кислот (ТСА), вырабатываемые в ходе аэробного метаболизма митохондрий, способны формировать иммунный ответ. Активация макрофагов эндотоксином грамотрицательных бактерий - липополисахаридом переключает их метаболизм с окислительного фосфорилирования на гликолиз. Было показано, что этот метаболический сдвиг приводит к накоплению сукцината.

Увеличение сукцината может стабилизировать HIF-1α (фактор, индуцируемый гипоксией 1-альфа) путем ингибирования активности фермента пролилгидроксилазного домена (PHD), который обычно регулирует стабильность HIF-1α. Эта сукцинат-зависимая индукция HIF-1α, в свою очередь, может регулировать выработку IL-1β.

Митохондриальный сукцинат также может действовать, как хемокин, поскольку специфические рецепторы сукцината, связанные с G-белком, существуют как на иммунных, так и на неиммунных клетках [18]. Помимо своей роли в стабилизации HIF-1α, накопление сукцината в условиях стимуляции ЛПС также может запускать процесс обратного транспорта электронов [15]. Этот обратный поток электронов из митохондриального комплекса II в комплекс I производит АФК.

Обратный перенос электронов увеличивается с возрастом животных и может быть полезным, продлевая продолжительность жизни в определенных условиях [19]. Однако, в контексте стимуляции LPS макрофагов, сочетание высокого потенциала мембраны митохондрий, наряду с окислением сукцината, стимулирует выработку митохондриальных АФК, вызывая провоспалительный ответ [15].

Следует отметить, что пожилые люди более подвержены различным вирусным инфекциям. Интерфероны типа I (IFN-α и IFN-β) являются необходимыми цитокинами, участвующими в противовирусном ответе хозяина. Секретирующиеся многочисленными типами клеток, такими как лимфоциты, моноциты, макрофаги, дендритные клетки, фибробласты, эндотелиальные клетки, остеобласты и другие, интерфероны 1-ого типа ограничивают распространение вируса путем индукции антивирусного ответа, стимулируют представление антигена и функции NK-клеток, способствуют антиген-специфическим Т- и В-клеточным ответам и развитию иммунологической памяти.

RLRs (RIG-I и MDA5) представляют собой цитозольные рецепторы, которые распознают вирусную РНК. Связывая вирусную РНК, RIG-I и MDA5 мобилизуют митохондриальный противовирусный сигнальный белок MAVS [10, 12]. Интегрированный в наружную мембрану митохондрий, MAVS собирается в прионоподобные агрегаты, что сопровождается связыванием с RIG-I или MDA5. 

Агрегаты MAVS служат основой для синтеза различных факторов, ассоциированных с рецептором фактора некроза опухолей (TRAFs), что приводит к фосфорилированию и ядерной транслокации регуляторных факторов интерферона (IRFs) [13]. Далее MAVS, IRF3, IRF5 и IRF7 связываются со своими промоторами, что приводит к синтезу интерферонов типа I [11].

Тенденция к увеличению средней продолжительности жизни населения подчеркивает необходимость глубокого изучения механизмов, связанных с возрастным снижением функционирования иммунной системы. Наиболее подвержены возрастным изменениям такие клетки иммунной системы, как Т-лимфоциты. Т-лимфоциты являются ключевым звеном адаптивной иммунной системы. Возрастные изменения костного мозга и микроокружения тимуса приводят к снижению выхода Т-лимфоцитов.

Микроокружение стромы тимуса является ключевым фактором в регуляции атрофии данного органа. Некоторые исследования также показывают, что кинетика инволюции тимуса не является равномерной в течение всей жизни, но данный процесс можно разделить на отдельные фазы, которые, вероятно, контролируются различными молекулярными механизмами [8, 21, 24].

Связанное со старением снижение иммунной функции делает пожилых людей более уязвимыми для инфекционных заболеваний и увеличивает риск возникновения опухолей. Изменения в функции Т-клеток могут быть связаны со снижением митохондриальной функции. Т-клетки играют центральную роль в осуществлении адаптивных иммунных реакций. Способность Т-клеток выполнять эту роль зависит от быстрой клеточной пролиферации и дифференцировки. Эти процессы сопровождаются увеличением размера ДНК, ее ремоделированием, активацией транскрипционных факторов, а также повышением экспрессии поверхностных белков, что требует высокого энергетического потребления. Для выполнения этой задачи продукты метаболизма активно транспортируются через клеточную мембрану.

Наряду с этим Т-клетки подвергаются метаболическому перепрограммированию во время их дифференцировки. Было показано, что покоящиеся Т-клетки, такие как наивные Т-лимфоциты и клетки памяти, прежде всего используют высокоэффективное окислительное фосфорилирование, тогда как в эффекторных Т-лимфоцитах катаболические реакции представлены аэробным гликолизом. Таким образом, модуляция метаболических путей и потребностей Т-клеток увеличивает их способности выполнять функции конкретных субпопуляций Т-клеток.

В присутствии кислорода образуется пируват, который полностью окисляется в митохондриях для получения энергии во многих типах клеток [24]. В Т-клетках значительная часть глюкозы не окисляется, а ферментируется в лактат из пирувата лактатдегидрогеназой. Этот процесс осуществляется, несмотря на присутствие кислорода, и называется аэробным гликолизом или Варбургским метаболизмом.

Хотя данный метаболизм рассматривается как энергетически неэффективный, скорость гликолиза в 10–100 раз выше, чем окисление глюкозы митохондриями, что дает эквивалентные количества АТФ [8]. Дополнительная выгода метаболизма Варбурга лежит в путях, которые являются точками разветвления гликолиза (например, пентозофосфатного пути). Высокая продукция АТФ, синтезированной за счет усиленного гликолиза индуцирует пролиферацию Т-клеток.

Исследования лимфоидной ткани при старении показывают развитие прогрессивно снижающейся митохондриальной дыхательной функции из-за снижения потенциала митохондриальной мембраны и нарушенной митофагии [21].

В результате нарушения окислительного фосфорилирования снижается продукция АТФ, что ограничивает гликолиз, биосинтез, активацию и пролиферацию Т-клеток.

Помимо участия в биоэнергетике, митохондрии также участвуют в активации Т-клеток путем модулирования вторичных мессенджеров. В активированных Т-клетках митохондрии локализуются в иммунном синапсе и в локусе, где они регулируют поток Ca²⁺ [17]. В ответ к этому потоку кальция усиливается выработка АФК через комплекс III дыхательной цепи, что приводит к усилению работы ядерного фактора активированных Т-клеток (NFAT) и последующей продукции интерлейкина-2 (ИЛ-2).

У стареющих Т-клеток наблюдается снижение передачи сигналов Ca²⁺, что может быть отчасти связано с дефицитом регуляции митохондриального кальциевого обмена [14]. Это приводит к нарушениям в работе иммунного синапса и ведет к снижению передачи сигналов и активации Т-клеток.

Заключение. Таким образом, роль митохондрий заключается не только в осуществлении клеточного метаболизма, но и в развитии иммунного ответа при старении в результате каскада биохимических реакций.  Исследование рои митохондрий в процессах нормального и патологического старения может иметь важное значение для широкого круга проблем биогеронтологии.

Литература

1.      Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. 2-е изд. М.: Мир. 2004. – 469 с.

2.      Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. 4-е изд. М.: ИКЦ "Академкнига", 2004. - 495 с.

3.      Broz P., Dixit V.M. Inflammasomes: mechanism of assembly, regulation and signaling // Nat Rev Immunol. - 2016. – Vol. 16, N 7. P. 407–420.

4.      Brunel J.K. Oxygen sensing requires mitochondrial ROS but not oxidative phosphorylation / J.K. Brunel, E.L. Bell, N.M. Quesada, K. Vercauteren, V. Tiranti, Zeviani M., Scarpulla R.C., Chandel N.S. // Cell Metab. - 2005. Vol. 1. - P. 409–414.

5.      Chandel N.S. Role of oxidants in NF-kappa B activation and TNF-alpha gene transcription induced by hypoxia and endotoxin / N.S. Chandel, W.C. Trzyna, D.S. McClintock, P.T. Schumacker // J. Immunol. – 2000. Vol. 165. P. 1013–1021.

6.      Iyer S.S. Mitochondrial cardiolipin is required for Nlrp3 inflammasome activation /  S.S. Iyer, H. Qiong, J.R. Janczy, E.I. Elliott, Z. Zhong, A.K. Oliver, J.S. Jeffrey, V. Knepper-Adrian, R. Han, L. Qiao, S.C. Eisenbarth, W.M. Nauseef, S.L. Cassel, F.S. Sutterwala // Immunity. – 2013. “Vol. 39, N 2. – P. 311–323.

7.      Ji Y. J. The role of mitochondria in aging / Y. J. Ji, B. Arnon, L. Jie, F. Toren // Journal of Clinical Investigation. – 2018. – Vol. 128, N 9. – P. 3662–3670.

8.      Jones R.G., Thompson C.B. Revving the engine: Signal transduction fuels T cell activation // Immunity. - 2007. – Vol. 27. – P. 173–178.

9.      Krysko D.V. Emerging role of damage-associated molecular patterns derived from mitochondria in inflammation / D.V. Krysko, P. Agostinis, O. Krysko, A.D. Garg, C. Bachert, B.N. Lambrecht, P. Vandenabeele //Trends Immunol. - 2011. – Vol. 32, N 4. P. 157–164.

10.   Kumar H. Essential role of IPS-1 in innate immune responses against RNA viruses / H. Kumar, T. Kawai, H. Kato, S. Sato, K. Takahashi, C. Coban, M. Yamamoto, S. Uematsu, K.J. Ishii, O. Takeuchi, S. Akira // J. Exp. Med. – 2006. – Vol. 203. – P. 1795–1803.

11.   Lazear H.M. IRF-3, IRF-5, and IRF-7 coordinately regulate the type I IFN response in myeloid dendritic cells downstream of MAVS signaling / H.M. Lazear, A. Lancaster, C. Wilkins, M.S. Suthar, A. Huang, S.C. Vick, L. Clepper, L. Thackray, M.M. Brassil, H.W. Virgin, J. Nikolich-Zugich, A.V. Moses, M. Jr. Gale, K. Früh, M.S. Diamond // PLoS Pathog. – 2013. – Vol. 9. P. e1003118.

12.   Lin R.T. Dissociation of a MAVS/IPS-1/VISA/Cardif-1KK epsilon molecular complex from the mitochondrial outer membrane by hepatitis C virus NS3-4A proteolytic cleavage / R.T. Lin, J. Lacoste, P. Nakhaei, Q. Sun, L. Yang, S. Paz, P. Wilkinson, I. Julkunen, D. Vitour, E. Meurs, J. Hiscott // J. Virol. – 2006. - Vol. 80. – P. 6072–6083.

13.   Liu B.Y., Gao C.J. Regulation of MAVS activation through post-translational modifications // Curr. Opin. Immunol. – 2018. – Vol. 50. – P. 75–81.

14.   Mather M.W., Rottenberg H. The inhibition of calcium signaling in T-lymphocytes from old mice results from enhanced activation of the mitochondrial permeability transition pore // Mech. Ageing Dev. – 2002. – Vol. 123. – P. 707–724.

15.   Mills E.L. Succinate dehydrogenase supports metabolic repurposing of mitochondria to drive inflammatory macrophages / E.L. Mills, B. Kelly, A. Logan, A.S.H. Costa, M. Varma, C.E. Bryant, P. Tourlomousis, J.H.M. Däbritz, E. Gottlieb, I. Latorre, S.C. Corr, G. McManus, D. Ryan, H.T. Jacobs, M. Szibor, R.J. Xavier, T. Braun, C. Frezza, M.P. Murphy, L.A. O'Neill // Cell. – 2016. – Vol. 167, N 2. – P. 457–470.e13.

16.   Pinti M. Circulating mitochondrial DNA increases with age and is a familiar trait: Implications for “inflamm-aging” / M. Pinti, E. Cevenini, M. Nasi, S. De Biasi, S. Salvioli, D. Monti, S. Benatti, L. Gibellini, R. Cotichini, M.A. Stazi, T. Trenti, C. Franceschi, A. Cossarizza // Eur. J. Immunol. – 2014. – Vol. 44. – P. 1552–1562.

17.   Quintana A. T cell activation requires mitochondrial translocation to the immunological synapse / A. Quintana, C. Schwindling, A.S.Wenning, U. Becherer, J. Rettig, E.C. Schwarz, M. Hoth // Proc. Natl. Acad. Sci. USA – 2007. – Vol. 104. – P. 14418–14423.

18.   Rubic T. Triggering the succinate receptor GPR91 on dendritic cells enhances immunity / T. Rubic, G. Lametschwandtner, S. Jost, S. Hinteregger, J. Kund, N. Carballido-Perrig, C. Schwärzler, T. Junt, H. Voshol, J.G. Meingassner, X. Mao, G. Werner, A. Rot, J.M. Carballido // Nat. Immunol. – 2008. – Vol. 9, N 11. – P. 1261–1269.

19.   Scialo F. Mitochondrial ROS produced via reverse electron transport extend animal lifespan / F. Scialo, A. Sriram, D. Fernández-Ayala, N. Gubina, M. Lõhmus, G. Nelson, A. Logan, H.M. Cooper, P. Navas, J.A. Enríquez, M.P. Murphy, A. Sanz // Cell Metab. – 2016. – Vol. 23, N 4. – P. 725–734.

20.   Shen-Orr S.S. Defective signaling in the JAK-STAT pathway tracks with chronic inflammation and cardiovascular risk in aging humans / S.S. Shen-Orr, D. Furman, B.A. Kidd, F. Hadad, P. Lovelace, Y.W. Huang, Y. Rosenberg-Hasson, S. Mackey, F.A. Grisar, Y. Pickman, H.T. Maecker, Y.H. Chien, C.L. Dekker, J.C. Wu, A.J. Butte, M.M. Davis //Cell Syst. – 2016. – Vol. 3, N 4. – P. 374–384.e4.

21.   Shestov A.A. Quantitative determinants of aerobic glycolysis identify flux through the enzyme GAPDH as a limitingstep / A.A. Shestov, X.J. Liu, Z. Ser, A.A. Cluntun, Y.P. Hung, L. Huang, D. Kim, A. Le, G. Yellen, J.G. Albeck, J.W. Locasale // eLife. – 2014. – Vol.  3. – P.  e03342.

22.   Shimada K. Oxidized mitochondrial DNA activates the NLRP3 inflammasome during apoptosis/ K. Shimada, T.R. Crother, J. Karlin, J. Dagvadorj, N. Chiba, S. Chen, V.K. Ramanujan, A.J. Wolf, L. Vergnes, D.M. Ojcius, A. Rentsendorj, M. Vargas, C. Guerrero, Y. Wang, K.A. Fitzgerald, D.M. Underhill, T. Town, M. Arditi // Immunity. – 2012. – Vol. 36, N 3. – P. 401–414.

23.   Soysal P. Inflammation and frailty in the elderly: a systematic review and meta-analysis / P. Soysal, B. Stubbs, P. Lucato, C. Luchini, M. Solmi, R. Peluso, G. Sergi, A.T. Isik, E. Manzato, S. Maggi, M. Maggio, A.M. Prina, T.D. Cosco, Y.T. Wu, N. Veronese // Ageing Res. Rev. – 2016. – Vol. 31. – P. 1–8.

24.   Tarasenko T.N. Cytochrome c Oxidase Activity Is a Metabolic Checkpoint that Regulates Cell Fate Decisions During T Cell Activation and Differentiation / T.N. Tarasenko, S.E. Pacheco, M.K. Koenig, J. Gomez-Rodriguez, S.M. Kapnick, F. Diaz, P.M. Zerfas, E. Barca, J. Sudderth, R.J. DeBerardinis, R. Covian, R.S. Balaban, S. DiMauro, P.J. McGuire // Cell Metab. – 2017. – Vol. 25. – P. 1268.

25.   van der Burgh R., Boes M. Mitochondria in autoinflammation: cause, mediator or bystander? // Trends Endocrinol. Metab. – 2015. – Vol. 26, N 5. – P. 263–271.

26.   Yu J. Inflammasome activation leads to caspase-1-dependent mitochondrial damage and block of mitophagy / J. Yu, H. Nagasu, T. Murakami, H. Hoang, L. Broderick, H.M. Hoffman, T. Horng // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2014. – Vol. 111, N 43. – P. 15514–15519.

27.   Zhou R. A role for mitochondria in NLRP3 inflammasome activation / R. Zhou, A.S. Yazdi, P. Menu, J. Tschopp // Nature. – 2011. – Vol. 469, N 7329. – P. 221–225.