Исторически дисфункция митохондрий и избыточная продукция митохондриальных активных форм кислорода ассоциируются с процессом старения и развитием возрастных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона. Однако недавно ученые на червях-нематодах показали, что подавление митохондриальных функций, например, при введении мутаций в гены электрон-транспортной цепи и в гены, кодирующие ферменты биосинтеза убихинона, приводит к увеличению продолжительности их жизни. Тот же эффект наблюдали при химическом ингибировании дыхательных комплексов. Более того, оказалось, что активные формы кислорода играют сигнальную роль в таких процессах, как рост, дифференциация клеток и адаптация организмов к стрессовым факторам. Чем же может объясняться двойственное поведение активных форм кислорода?
Интернациональная команда ученых из Великобритании, Испании, России и Финляндии выдвинула предположение, что роль активных форм кислорода определяется способом и местом их формирования в электрон-транспортной цепи, и исследовала этот вопрос на плодовых мушках Drosophila melanogaster. Россию в этом исследовании представляла научный сотрудник Института Теоретической и Экспериментальной Биофизики РАН Нина Губина. Полученные результаты были опубликованы в журнале Сеll Metabolism (импакт-фактор 17,303). Принять участие в этой работе молодой кандидат наук смогла благодаря стипендии Центра международных обменов (Centre for International Mobility, CIMO), организации в ведении Министерства образования Финляндии.
Исследовать образование активных форм кислорода на электрон-транспортной цепи можно с помощью ингибиторов – веществ, подавляющих функции дыхательных комплексов, в сочетании с альтернативными дыхательными белками, которые нечувствительны к этим ингибиторам. Ученые начали работу с небольшого исследования одного из таких альтернативных белков. NDI1 – аналог 1 комплекса дыхательной цепи у грибов и растений, нечувствительный к ротенону - веществу, подавляющему 1 комплекс электрон-транспортной цепи. NDI1 принимает электроны с NADH и передает их на ещё один компонент цепи переноса электронов - убихинон, в обход 1 комплекса дыхательной цепи. Ранее исследователи показали, что искусственное введение гена NDI1 в геном плодовых мушек и нематод для того, чтобы у них нарабатывался (экспрессировался) этот фермент, приводит к увеличению продолжительности их жизни. Предполагалось, что этот белок компенсирует возрастную дисфункцию 1 комплекса электрон-транспортной цепи, снижает уровень активных форм кислорода и за счет этого продлевает жизнь. Однако авторы обнаружили, что у мушек, синтезирующих в клетке белок NDI1, уровни активных форм кислорода в клетках головного мозга, наоборот, значительно повышены.
- Мы предположили, что этот факт объясняется следующей схемой. NDI1 в совокупности с 1 и 2 комплексами электрон-транспортной цепи насыщает убихинон электронами. Гипер-восстановленность пула убихинона приводит к тому, что происходит обратный перенос электронов на 1 комплекс электрон-транспортной цепи и образуются активные формы кислорода, которые в свою очередь, представляют собой сигнал, инициирующий программы по увеличению продолжительности жизни, - рассказывает о своей работе научный сотрудник Института Теоретической и Экспериментальной Биофизики Нина Губина, - это предположение мы доказали экспериментально, для чего создали несколько генетически модифицированных линий дрозофил.
Первой такой линией стали мушки, в геном которых ученые перенесли ген NDI1 и ген альтернативной терминальной оксидазы AOX морского животного асцидии Ciona intestinalis, для одновременной экспрессии обоих ферментов. Терминальная оксидаза AOX переносит электроны с убихинона на кислород с образованием воды и тем самым понижает степень восстановленности убихинона. Добавление АОХ привело к снижению образования активных форм кислорода и аннулировало эффект увеличения продолжительности жизни, достигнутый с помощью NDI1. Другая созданная исследователями линия мушек, геном которой содержал одновременно ген альтернативной терминальной оксидазы AOX и дефектный ген белка цитохромоксидазы, характеризовалась гипер-восстановленостью другого подвижного переносчика электронов – цитохрома С. При этом не происходило увеличение продукции активных форм кислорода, а также не увеличивалась продолжительность жизни. Этот эксперимент подтвердил гипотезу ученых о важной роли восстановленного убихинона.
Если 1 комплекс электрон-транспортной цепи в мушках линии NDI1отключали генетически, либоподавляли его активность химическим путем, уровень активных форм кислорода снижался. Это приводило к сокращению продолжительности жизни этих мушек, по сравнению с мушками NDI1, у которых 1 комплекс оставался рабочим. Из этого эксперимента ученые сделали вывод о необходимости наличия неповрежденного 1 комплекса электрон-транспортной цепи и обратного переноса электронов для достижения антивозрастного эффекта у дрозофил линии NDI1.
- Сигналом, ответственным за увеличение продолжительности жизни, являются именно активные формы кислорода, а не гипер-восстановленный убихинон, что было показано на еще одной генетически модифицированной линии дрозофил, - комментирует Нина Губина - поскольку экспрессия митохондриальной каталазы в мушках, экспрессирующих NDI1, аннулировала эффект продления жизни, опосредованный NDI1. Более того, мы смогли показать, что у плодовых мушек активные формы кислорода, генерируемые с помощью обратного транспорта электронов через 1 комплекс электрон-транспортной цепи, могут частично восстанавливать функции митохондрий, нарушенные вследствие окислительного стресса (нокдаун митохондриальной супероксиддисмутазы SOD2) и искусственно ускоренного старения (нокдаун гена PINK1). Если исследованный нами способ образования активных форм кислорода является общим для мушек и млекопитающих, изменение окислительно-восстановительного статуса можно будет использовать для увеличения продолжительности жизни и борьбы с возрастными патологиями у человека.
В настоящее время Нина Губина продолжает заниматься изучением проблем старения на плодовых мушках. Ее исследования посвящены анализу уровня транскрипции РНК разных генов у популяций дрозофил дикого типа, которые различаются по продолжительности жизни. В дальнейшем молодой перспективный специалист планирует изучать полиморфизм генов для выявления мутаций, которые могут быть ответственны за продление жизни.
Filippo Scialo, Ashwin Sriram, Daniel Fernandez-Ayala, Nina Gubina, Madis Lohmus, Glyn Nelson, Angela Logan, Helen M. Cooper, Placido Navas, Jose Antonio Enriquez, Michael P. Murphy, and Alberto Sanz. Mitochondrial ROS Produced via Reverse Electron Transport Extend Animal Lifespan. Cell Metab. 2016 Apr 12; 23(4): 725–734.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4835580/
Материал к печати подготовила пресс-секретарь ИТЭБ РАН Татьяна Перевязова: iteb-press@yandex.ru
Обогащение убихинона (CoQ) электронами за счет деятельности белка NDI1 приводит к обратному транспорту электронов (RET – Reverse Electron Transport) через 1 комплекс дыхательной цепи (CI). Вследствие этого происходит увеличение концентрации митохондриальных активных форм кислорода (ROS), которые могут частично восстанавливать функции митохондрий и способствуют продлению жизни плодовых мушек. Авторы исследования демонстрируют, что локализация места, в котором производятся активные формы кислорода, и способ их производства определяет их воздействие на организм.
Рисунок предоставлен автором работы.
