The role of mitochondria in the development of breast cancer

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Первые доказательства роли митохондрии в развитии рака были представлены около века назад лауреатом Нобелевской премии Отто Варбургом [1]. В то время о митохондрии как клеточной органелле было известно немного. Без изучения фундаментальных вопросов происхождения, строения, функции митохондрии и её генома невозможно определить роль митохондрий в патогенезе злокачественных новообразований. Вплоть до настоящего времени участие митохондриального генома в развитии рака молочной железы не выяснено, а споры учёных о главной роли онкогена или митохондрии в возникновении рака продолжаются. Настоящий обзор посвящён анализу исследований о связи митохондриального генома с развитием злокачественных новообразований, в частности рака молочной железы.

В обзоре проанализированы современные взгляды на роль митохондрий и митохондриального генома в развитии рака молочной железы. Поиск литературы проведён в базах данных PubMed и eLIBRARY.RU по поисковым запросам «митохондриальная ДНК and рак молочной железы» (‘mitochondrial DNA’ and ‘breast cancer’), а также по ссылкам. Проанализированы работы, содержащие данные исследований случай–контроль мутаций зародышевых линий у больных раком молочной железы, а также исследований по цибридным клеточным линиям.

Общие сведения о митохондриях

Происхождение и строение митохондрий

Митохондрия — клеточная органелла, основной ролью которой является обеспечение клетки энергией, синтезирование клеточного аденозинтрифосфата (АТФ) путём окислительного фосфорилирования. Наряду с этим митохондрии выполняют множество других важных для клетки функций. Они имеют свою ДНК, состоящую из 16 569 п. н. и содержащую 37 генов. В результате эволюции регулирование более 1000 белков, локализованных в митохондриях, передано ядерной ДНК.

В соответствии с концепцией эволюции эукариоты возникли в период, когда в результате появления фотосинтезирующих организмов начал повышаться уровень кислорода в атмосфере. Увеличение его содержания стало пагубным для прокариот, поскольку активный кислород является сильнейшим ядом для них. Предполагается, что прокариоты были поглощены бактериями, имеющими возможность использовать кислород для жизнедеятельности, для продолжения своей жизни в агрессивной кислородной среде. В результате такого симбиоза возникли митохондрии и эукариоты [2].

В связи с тем, что митохондрии образовались в результате симбиоза прокариотов и бактерий, их строение и функция напоминают строение и функцию бактерий. Следует отметить, что в результате эволюции, продолжавшейся в течение миллионов лет, эти бактерии утратили многие свои особенности, прежде чем стать митохондриями. В настоящее время митохондрии присутствуют во всех клетках, имеющих ядра, и обеспечивают их энергией. Они используют O₂ и выделяют CO₂ при преобразовании химической энергии пищи в богатые энергией молекулы АТФ. Митохондрия, как и бактерии, окружена двумя мембранами, каждая из которых представляет собой двойной слой фосфолипидов с уникальным набором встроенных белков. Внутренняя мембрана отделяет межмембранное пространство от митохондриального матрикса, содержащего митохондриальную ДНК и рибосомы, а также ферменты, катализирующие некоторые реакции клеточного дыхания. Эта мембрана играет особую роль в окислительном фосфорилировании и обеспечении этого процесса энергией за счёт переноса электронов по дыхательной цепи. Она содержит комплексы из встроенных во внутреннюю мембрану белковых молекул, участвующих в синтезе АТФ. Складки, называемые кристами, увеличивают площадь поверхности мембраны, усиливая способность митохондрий вырабатывать АТФ.

Электронтранспортная цепь (ЭТЦ) на внутренней мембране митохондрии состоит из четырёх комплексов (I — NADH-дегидрогеназа, II — сукцинат-дегидрогеназа, III — QH₂-дегидрогеназа, IV — цитохром оксидаза) и двух низкомолекулярных переносчиков (коэнзим Q и цитохром С). Все компоненты ЭТЦ встроены последовательно в порядке возрастания редокс-потенциалов. Чем отрицательнее редокс-потенциалы системы, тем выше её способность отдавать электроны (восстановители). Чем положительнее редокс-потенциал, тем выше способность вещества присоединять электроны (окислители). Самым высоким редокс-потенциалом обладает кислород, в связи с этим электроны переносятся по цепи переноса электронов до кислорода с образованием воды. Принцип работы ЭТЦ — разделение потока протонов и электронов, образующихся в матриксе. Электроны передаются на конечный акцептор (кислород), протоны выбрасываются в митохондриальное межмембранное пространство. В результате этого процесса образуется электрохимический градиент между матриксом (высокий pH, низкий H+) и межмембранным пространством (низкий pH, высокий H+). По закону осмоса ионы водорода начинают проникать в матрикс, активируя АТФ-синтазу, которая катализирует превращение АДФ в АТФ (рис. 1, [3]). Субстраты (NADH, FADH₂), на которые действуют ферменты ЭТЦ, образуются в матриксе в результате цикла Кребса и их поступления из цитозоля.

 

Рис. 1. Цепь переноса электронов внутренней мембраны митохондрий (адаптировано по [3]). СI–CV — комплексы I–V; H⁺ — ионизированный водород; NADH — восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида; NAD⁺ — окисленная форма никотинамидадениндинуклеотида; Cyto C — цитохром С; H₂O — вода; ADP — аденозиндифосфат; Pi — неорганический фосфор; ATP — аденозинтрифосфат; –ΔΨm — редокс-потенциал. / Fig. 1. The electron transport chain of the inner membrane of mitochondria (adapted from [3]). CI–CV — complexes I–V; H+ — ionized hydrogen; NADH — reduced form of nicotinamidveadenine dinucleotide; NAD+ — oxidized form of nicotinamide adenine dinucleotide; Cyto C — cytochrome C; H₂O — water; ADP — adenosine diphosphate; Pi — inorganic phosphorus; ATP — adenosine triphosphate; –ΔΨm — redox potential.

 

Митохондриальный геном

Митохондрии имеют собственный геном — митохондриальную ДНК (мтДНК). У человека мтДНК присутствует во множестве копий (от 100 до 10 000 копий на клетку), в зависимости от интенсивности производства АТФ [4]. Например, в сердце в 2 раза больше копий мтДНК, чем в скелетной мускулатуре [4]. Митохондриальный геном отвечает за экспрессию 13 субъединиц ферментных комплексов дыхательной цепи и АТФ-синтазы, расположенных во внутренней митохондриальной мембране. На рис. 2 показана карта митохондриального генома человека [5–7]. Белки, кодируемые мтДНК, составляют всего около 1% митохондриального протеома. По последнему пересмотренному списку MitoCarta 3.0 в митохондриях находятся белки и РНК, кодируемые 1136 генами [5], из них только 37 генов локализовано в митохондриальном геноме [8]. В результате эволюции кодирование основной части протеома митохондрий обеспечивается ядерным геномом.

 

Рис. 2. Карта митохондриального генома человека [по 5–7]. HSP — heavy strand promoter (промотор тяжелой цепи); LSP — light strand promoter (промотор лёгкой цепи); D-Loop — Д-петля); control region — контрольная область, контролирующая синтез РНК и ДНК (локализация между 16024 и 576 bp); CSB1, CSB2, CSB3 — консервативные блоки 1, 2 и 3; 7S DNA — короткая третья цепь мтДНК в области D-петли; O_H — начало репликации тяжёлой цепи мтДНК; O_L — начало репликации лёгкой цепи мтДНК; TAS — termination associated sequence (последовательность, связанная с терминацией); H, L — тяжёлая и лёгкая цепи мтДНК; T, P, E, L2, S2, H, R, G, K, D, S1, A, N, C, Y, W, M, Q, I, L1, V, F — гены tRNA; CYB — ген цитохрома В; ND6, ND5, ND4, ND3, ND2, ND1 — гены субъединиц NADH-дегидрогеназы; СО3, СО2, СО1 — гены субъединиц цитохромоксидазы; RNR2 и RNR1 — гены митохондриальных 16S и 12S рибосомных РНК. / Fig. 2. Мap of the human mitochondrial genome [by 5–7]. HSP — heavy strand promoter; LSP — light strand promoter; control region — control region that controls the synthesis of RNA and DNA (localisation between 16024 and 576 bp); CSB1, CSB2, CSB3 — conservative blocks 1, 2 and 3; 7S DNA — short third strand of mtDNA in the D-loop region; O_H — origin of mtDNA heavy strand replication; O_L — origin of mtDNA light strand replication; TAS — termination-associated sequence; H, L — mtDNA heavy and light strands; T, P, E, L2, S2, H, R, G, K, D, S1, A, N, C, Y, W, M, Q, I, L1, V, F — tRNA genes; CYB — cytochrome B gene; ND6, ND5, ND4, ND3, ND2, ND1 — NADH-dehydrogenase subunit genes; CO3, CO2, CO1 — cytochrome oxidase subunit genes; RNR2 and RNR1 are mitochondrial 16S and 12S ribosomal RNA genes.

 

Функции митохондрий

Основная функция митохондрий — обеспечение клеток энергией посредством продукции АТФ. Однако, кроме этого, митохондрии осуществляют множество других важных функций, связанных и не связанных с производством АТФ, что указывает на многофакторную функциональную роль митохондрий в нормальном функционировании клетки [3]. Далеко не полный перечень функций митохондрий можно определить по кластерам генов, кодирующих локализованные в митохондриях белки и РНК. Можно выделить 7 таких функциональных кластеров (ранжированы по количеству генов) [5]:

• метаболический (метаболизм углеводов, жиров, аминокислот, нуклеотидов, переносчиков электронов, металлов и их кофакторов, серы, витаминов, а также детоксикация);
• генетический (обслуживание мтДНК, метаболизм мтРНК и трансляция);
• окислительного фосфорилирования;
• контроля за митохондриальной динамикой (формирование крист, слияние и деление митохондрий, аутофагия, митофагия, апоптоз и др.);
• импорта белков, их сортировки и гомеостаза;
• транспорта малых молекул (семейство SLC25A, ABS-транспортер, Sideroflexins, uniform calcium);
• сигнальных путей (гомеостаз кальция, иммунная реакция, cAMP-PKA-сигнализация).

Митохондриальная дисфункция и онкогенез

В начале XX века немецким исследователем Отто Варбургом была сформулирована гипотеза возникновения рака [1]. Согласно этой гипотезе, рак возникает в результате длительного процесса, при котором происходит отбор клеток, перешедших на анаэробное дыхание («брожение») в результате нарушения окислительного фосфорилирования, т.е. нарушения продукции АТФ, или дисфункции митохондрий. Ряд исследователей отмечают, что митохондриальная дисфункция может быть определена как нарушение продукции АТФ из-за ферментативной, транспортной, структурной или регуляторной недостаточности [9]. Однако вплоть до настоящего времени учёные спорят о том, является дисфункция митохондрий причиной или следствием перерождения нормальных клеток в раковые [10]. По мнению D. Senyilmaz с соавт. [10], в отдельных случаях могут быть правы и сторонники Отто Варбурга, и их оппоненты. Такая точка зрения укладывается в представление о полиэтиологичности рака [11].

В 70–80-х гг. возникла теория, или парадигма, онкогена. В соответствии с ней некоторые гены (онкогены) могут вызывать перерождение клеток в злокачественные, а гены, обеспечивающие нормальную клеточную функцию, могут быть преобразованы в онкогены путем генетической мутации [12]. Историк науки J.H. Fujimura считает теорию онкогена побеждающей в изучении рака [13]. Исследователь рака E.A. Thompson из клиники Мейо утверждает: «Нет никаких доказательств того, что злокачественная опухоль развивается в отсутствие мутаций. Любой, кто думает иначе, обязан разработать эксперимент, чтобы опровергнуть эту концепцию… так работает наука» [14]. В свете изложенного сторонники генетической теории рака считают, что переход раковых клеток к гликолизу — не причина, а скорее следствие. Несмотря на оглушительные успехи теории онкогена, гипотеза Варбурга скорее жива, чем мертва [15]. Споры сторонников генной и метаболической теорий рака продолжаются до сих пор [16]. С нашей точки зрения, эти споры возникают из-за непонимания рака как полиэтиологической болезни и стремления к созданию универсальной теории рака. Недавняя попытка создания такой теории предпринята нидерландским исследователем M.-A. Majérus в работе «Причины рака: объединяющая теория» [17]. Выдвинутая автором концепция генетической программы яйцеклетки (egg cell’s genetic program, ECGP) представляет собой программу, реализуемую в период, когда яйцеклетка находится в ожидании оплодотворения, т.е. в период выживания. В её выживании существенную роль играют митохондрии. В этот период они находятся в состоянии покоя, т.е. не полностью функциональны, и в незрелой форме. По мнению автора, переход митохондрий от незрелой к зрелой форме является обратимым процессом. Например, при отравлении этанолом митохондрии печени подопытных крыс переходят в незрелую форму [18], т.е. нормальная клетка перепрограммируется в генетическую программу яйцеклетки с последующим переходом в рак. Автор допускает, что нефункциональную и незрелую форму митохондрий можно перепрограммировать в зрелую, подобно перепрограммированию митохондрий яйцеклетки из незрелой формы в зрелую после оплодотворения, что позволит разработать неинвазивные методы лечения рака. Энтузиазм автора заслуживает поддержки. Так, недавно исследователям из Мемориального онкологического центра имени Слоуна–Кеттеринга знание персонифицированной причины рака позволило впервые успешно вылечить местно-распространённый рак толстой кишки (стадии Т₁–Т₄) с нарушением репарации ошибочно спаренных нуклеоидов (deficient mismatch repair, dMMR) путём блокирования иммунной контрольной точки препаратом Достарлимаб, связанным с белком PD-1 (programmed cell death 1) [19].

Митохондрии и рак молочной железы

Мутации ДНК могут либо возникать в зародышевой линии и предрасполагать к раку (онкогенные герминальные мутации), либо развиваться в отдельных тканях (опухолеспецифические соматические мутации) и участвовать в процессе опухолевой прогрессии [20]. Считается, что мутации мтДНК, наблюдаемые при раке, можно подразделить на два варианта: тяжёлые, или возникающие de novo, и лёгкие, или функциональные [20, 21]. Первые выступают «индукторами» рака, а вторые — «адаптерами», способствующими выживанию раковых клеток в изменившихся условиях окружения. По мнению P.K. Kopinski c соавт. [21], вторая группа мутаций возникает из трёх источников: 1) наследуемые семейные варианты; 2) наследуемые древние варианты (мутации, определяющие гаплогруппы мтДНК), которые обеспечивают адаптацию к внутренним факторам организма и внешним условиям окружающей среды; 3) соматические мутации, возникающие в отдельных клетках.

У больных раком молочной железы обнаружено множество мутаций мтДНК как в зародышевой [22], так и в соматической линии клеток, а также пониженное число копий митохондриальной ДНК [23]. Однако биологическая роль этих изменений выяснена не до конца. А. Salas с соавт. [24] обнаружили, что подавляющее большинство (>80%) исследований, посвящённых потенциальным функциональным последствиям мутаций мтДНК в онкогенезе (и предоставляющих данные для проверки), основано на ошибочных данных с неправильными выводами. Статья подверглась критике [25, 26], а некоторые её положения не подтвердились: в частности, варианты, определяющие гаплогруппы филогенетических линий (древние адаптивные полиморфизмы), могут подвергаться обратным соматическим мутациям, «возвращающим» предковое состояние, в то время как в других позициях мтДНК у того же индивида могут повторно происходить замены, характерные для других гаплогрупп [26]. С утверждением авторов [24] о том, что «роль митохондрий в онкогенезе остаётся невыясненной», не согласился ряд исследователей [25, 26]. Сторонники Варбурга считают доказательством участия мтДНК в развитии рака результаты экспериментов по трансплантации нормальных митохондрий в раковые клетки эпителия молочной железы, в результате чего пролиферация раковых клеток была ингибирована и повысилась их чувствительность к химио-терапевтическим средствам [27].

Мутации зародышевой и соматических линий митохондриальной ДНК

По данным S. DiMauro и E.A. Schon [28], митохондриальная генетика отличается от менделевской тремя особенностями: материнским наследованием, развитием патологии при достижении порогового уровня гетероплазмии и митотической сегрегацией митохондриального генома. При делении митохондрий пропорции мутантных мтДНК могут распределяться в дочерних клетках по-разному, а клетки с патологическими мутациями способны в дальнейшем подвергаться апоптозу. Авторы выделили «канонические» признаки, определяющие патологический характер мутаций мтДНК:

• мутация не должна быть известным нейтральным полиморфизмом;
• она должна затрагивать эволюционно консервативный и функционально важный сайт;
• вредоносные мутации обычно являются гетероплазматическими;
• доля мутантной мтДНК должна быть выше в ткани больных людей, чем в той же ткани здоровых родственников, и она должна быть выше в патологически поражённых тканях, чем у здоровых, а также может сегрегировать со степенью биохимических нарушений;
• мутация должна отсутствовать у здоровых лиц в контрольной группе [28, 29].

Патологические мутации мтДНК (наследственные и спорадические формы) подразумевают различные формы митохондриальных заболеваний с тяжёлыми клиническими проявлениями. Они возникают в генах, влияющих на синтез митохондриального белка, или в генах, кодирующих белок [28], при этом преобладающее число патологических мутаций возникает в генах тРНК [29].

Мутации зародышевой линии мтДНК, которые ответственны за предрасположенность к раку, вероятно, являются условно патогенными или полиморфизмами мтДНК. Так, имеется множество публикаций о роли полиморфизма мтДНК 10398A>G в развитии рака молочной железы. Одна из первых работ принадлежит J.A. Canter и соавт. [30], которые указывают на повышенный риск инвазивного рака молочной железы у афроамериканских женщин. По заключению A. Salas c соавт. [31] (относительно публикаций о полиморфизме 10398A>G и его связи с раком молочной железы), результаты многих «…из этих исследований могут быть неубедительными из-за артефактов, связанных с ошибками генотипирования или неадекватным дизайном». Согласно данным ряда работ [32–47], проведённых методом случай–контроль, в одних исследованиях у больных раком молочной железы статистически значимо чаще обнаруживается аллель 10398А, а в других — 10398G (табл. 1). Несомненно, не существует мутации мтДНК, специфической для рака молочной железы. Данная мутация, вероятно, является одним из множества пусковых механизмов и причинных факторов рака в соответствии с теорией полиэтиологичности рака.

 

Таблица 1. Мутации зародышевой линии, чаще выявляемые у больных раком молочной железы в исследованиях случай–контроль / Table 1. Germline mutations most frequently detected in breast cancer patients in case-control studies

Позиция нуклеотидов	Аллели	Кодируемая аминокислота	Локус / гены	OR (ДИ 95٪) OR (CI 95٪)	p	Оценка патогенности (HmtVar)	Популяции	Источник
73	m.G	—	D-loop	—	0,001	—	Польша	[32]
150	m.T	—	D-loop	—	0,001	—	Польша	[32]
153	m.G	—	D-loop	19,0 (1,80–201,90)†	0,009	—	Италия	[33]
195	m.C	—	CR	6,0 (1,12–31,99)†	0,04	—	Италия	[33]
225	m.A	—	CR	12,70 (1,18–136,28)†	0,03	—	Италия	[33]
226	m.C	—	CR	12,70 (1,18–136,28)†	0,03	—	Италия	[33]
239	m.C	—	CR	—	0,001	—	Польша	[32]
263	m.G	—	CR	—	0,001	—	Польша	[32]
310	insC	—	CR	—	0,018	—	Южная Индия	[34]
315	insC	—	CR	11,66 (1,44–25,23)	0,004	—	Тунис	[35]
3197	m.C	—	16S-rRNA	2,72 (1,14–7,18)	0,015	—	Канарские острова	[36]
9055	m.A	Thr (ACC–mis)	ATP6	3,03 (1,63–5,63)	0,0057	Вероятно, патогенный	Американцы, европейцы	[37]
10397	m.G	Trp (TGG–syn)	ND3	3,11 (1,07–9,06)	0,030	—	Китай	[38]
10398††	А	Тhr (АСС)	ND3	1,60 (1,10–2,31)	0,013	—	Афроамериканки	[30]
10398††	m.G	Ala (GCC–mis)	ND3	1,77 (1,0–3,14)	0,050	Pmf	Китай	[38]
10398††	m.G	Ala (GCC–mis)	ND3	1,79 (1,14–2,81)	0,01	Pmf	Американцы, европейцы	[37]
10398††	А	Тhr (АСС)	ND3	1,73 (1,13–2,66)	0,01	—	Индия	[39]
10398††	А	Тhr (АСС)	ND3	5,50 (1,53–20,50)	0,018	—	Бангладеш	[40]
10398††	m.G	Ala (GCC–mis)	ND3	9,51 (2,64–33,88)	0,0008	Pmf	Польша	[41]
10398††	A	Тhr (АСС)	ND3	2,29 (1,25–4,20)	0,007	—	Малайзия	[42]
10398††	m.G	Ala (GCC–mis)	ND3	1,99 (1,43–2,55)	0,001*	Pmf	Иран	[43]
10398†† + 12308	m.G+m.G	Ala (GCC–mis)	ND3 + tRNA-Ser	3,03 (1,53–6,11)	0,004	Pmf + вероятно, патогенный	Американцы, европейцы	[44]
11719	m.A	Gly (GGA–syn)	ND4	13,20 (2,13–82,13)†	0,005	—	Италия	[33]
16183	m.C	—	D-loop	12,70 (1,18–136,28)†	0,03	—	Италия	[33]
16183	m.C	—	D-loop	—	0,036	—	Польша	[32]
16189	m.C	—	D-loop	1,47 (1,20–1,80)	0,001	—	Южная Индия	[34]
16189	m.C	—	D-loop	—	0,004	—	Польша	[32]
16207	m.T	—	D-loop	—	0,023	—	Польша	[32]
16223	m.T	—	D-loop	—	0,001	—	Польша	[32]
16278	m.T	—	D-loop	7,30 (1,30–41,40)†	0,03	—	Италия	[33]
16362	m.C	—	D-loop	—	0,001	—	Польша	[32]
16519	m.C	—	D-loop	1,98 (1,25–3,12)	0,0366	—	Американцы, европейцы	[37]
16519	m.C	—	D-loop	21,0 (2,15–204,60)†	0,003	—	Италия	[33]
16519	m.C	—	D-loop	—	0,003	—	Польша	[32]
489 + 10400	m.C + m.T	CR + Аla (GCT–mis)	HVSIII + ND3	1,77 (1,03–3,07)	0,040	—	Китай	[38]
310 + 16189	insC + m.C	—	CR + D-loop	5,86 (2,31–14,86)	0,00019	—	Южная Индия	[34]
489 + 10397 + 10400	m.C + m.G + m.T	CR + Trp (TGG–syn) + Аla (GCT–mis)	HVSIII + ND3 + ND3	3,11 (1,07–9,06)	0,030	—	Китай	[38]
489 + 10397 + 10400 + 16362	m.C + m.G + m.T + m.C	CR + Trp (TGG–syn) + Аla (GCT–mis) + HVS1	HVSIII + ND3 + ND3 + HVSI	3,93 (1,24–12,46)	0,013	—	Китай	[38]
HG D5	—	—	—	3,11 (1,07–9,06)	0,03	—	Китай	[38]
HG D5	—	—	—	2,79 (1,32–5,90)	0,007	—	Южный Китай	[45]
HG H	—	—	—	1,99 (1,13–3,51)	0,02	—	Уругвай	[46]
HG I	—	—	—	—	0,017	—	Польша	[32]
HG K	—	—	—	3,03 (1,63–5,63)	0,0057	—	Амер. европейцы	[37]
HG M	—	—	—	1,77 (1,03–3,07)	0,040	—	Китай	[38]
HG N	—	—	—	—	0,01	—	Индия	[39]

Примечание:* p <0,05 статистически значимо коррелирует c положительным рецептором HER2 (увеличивает метастазирование); † сравнительный анализ носителей и не носителей мутаций BRCA1; †† по аллелям мтДНК в положении 10398 получены противоречивые результаты, метаанализ опубликованных статей и методов исследования позволил ряду авторов сделать заключение, что нет доказательств связи аллелей 10398A>G с раком молочной железы [31, 47]. OR — отношение шансов; ДИ — доверительный интервал; HG — гаплогруппа; HVS — гипервариабельный сегмент; CR — контрольный регион; D-loop — Д-петля; Pmf — полиморфизм.

Note: * p <0.05 significantly correlates with positive HER2 receptor (increases metastasis); † comparative analysis of carriers and non-carriers of BRCA1 mutations; †† mtDNA alleles at position 10398 yielded conflicting results, meta-analysis of published articles and research methods allowed a number of authors to conclude that there is no evidence of an association between 10398A>G alleles and breast cancer [31, 47]. OR — odds ratio; CI — confidence interval; HG — haplogroup; HVS — hypervariable segment; CR — control region; Pmf — polymorphism.

 

Имеются довольно обширные данные об ассоциации гаплогрупп мтДНК с раком молочной железы (см. табл. 1). Интересным является сообщение о повышенном риске возникновения рака молочной железы у женщин северо-восточных регионов России с гаплогруппой D5 [38]. L. Ma с соавт. [45] выяснили, что такой эффект связан с активацией AKT (группы ферментов серин/треониновой протеинкиназы — протеинкиназы B) активными формами кислорода. Следует отметить, что гаплогруппа D5 имеется у якутов, бурятов, эвенов, эвенков и коренных народов Приамурья, но, тем не менее, заболеваемость раком молочной железы среди коренного населения этих регионов существенно низка [48]. Является вывод о роли гаплогруппы D5 в развитии рака молочной железы ошибочным или эта гаплогруппа становится фактором риска в совокупности с другими факторами, ещё предстоит определить.

Установлено, что полиморфизмы мтДНК могут изменять функции митохондрий [49]. Исследование влияния определённых мутаций и гаплогрупп мтДНК на функцию митохондрий обычно проводится на модели трансмитохондриальных цибридных клеток [50]. Эти клетки получают несколькими путями, но наиболее распространённый — получение цибридных клеток путём слияния тромбоцитов с p0-клетками, т.е. клетками с отсутствием мтДНК. В отличие от гибридов, которые получаются путём слияния двух клеток с ядрами, полученные клетки от слияния безъядерных и ядерных клеток впервые названы C.L. Bunn с соавт. «цибридами» [50]. Исследования с использованием модели трансмитохондриальных цибридных клеток показали, что полиморфизмы и гаплогруппы мтДНК различаются по выраженности митохондриальных функций (табл. 2). При этом следует отметить, что мутации, приводящие к умеренной дисфункции митохондрий, обладают способностью вызывать рак, в отличие от мутаций, полностью нарушающих митохондриальную функцию. Кроме того, установлено, что способность клеток вызывать опухоли строго зависит от присутствия мтДНК. Так, инъекция клеток саркомы, лишённых мтДНК, голым мышам не способствовала развитию опухоли, а введение этих же клеток с митохондриями, имеющих в своем геноме мутации, вызвало развитие саркомы [51].

 

Таблица 2. Функциональные особенности SNP и митохондриальных гаплогрупп, определённые с использованием модели цибридных клеток / Table 2. Functional characteristics of SNPs and mitochondrial haplogroups determined with the cybrid cell model

SNP, гаплогруппы	Функции митохондрий
	Число копий мтДНК	Транскрипция мтДНК	Базальное митохондриальное дыхание	Разобщённое митохондриальное дыхание	Уровень активных форм кислорода	Уровень выработки АТФ	Базовый pH митохондриального матрикса	Уровень Ca в цитозоле	Скорость роста в среде с глюкозой	Соотношение NAD + NADH	Источник
249del/CRS	↓*										[52]
13708A/CRS	↓*		↓*								[52]
13928C/CRS	↓*										[52]
16304C/CRS	↓*										[49]
489C/CRS	↑*		↑*	↑*							[52]
8701G/CRS	↑*			↑*							[52]
10398G/CRS	↑*										[52]
10400T/CRS	↑*										[52]
HG М/N	>25%										[52]
HG N/M	<25%										[52]
16362C/CRS		↑* (L)									[52]
709A/CRS		↑* (H1)	↑*								[52]
3010A/CRS		↓* (H1)									[52]
489C/CRS		↑* (H2)									[52]
10398G/CRS		↑* (H2)	↑*								[52]
C10400T/CRS		↑* (H2)	↑*	↑*							[52]
16223T/CRS		↑* (H2)	↑*	↑*							[52]
16519C/CRS		↓* (H2)		↓*							[52]
HG М/N		↑ (H2)	↑*	↑*						↑*	[52]
8701G/CRS			↑*								[52]
HG L/H	↓*					↓*					[53]
HG H/J						↑*					[53]
8701A/10398A или 8701G/10398G							↓*	↑			[54]
HG K/H	↓* (7,3%)	↓*	↑*	↑*		↑*					[55]
HG J/H	↑	↑*									[56]
295T/H		↑*									[39]
HG T/H		↑							↑*		[57]
HG D5/A			↓*		↑*	↓*			↑*		[45]
HG D5/D4			↓*		↑*	↓*			↑*		[45]

Примечание: HG — haplogroups (гаплогруппы); áâ разница выше (стрелка вверх) и ниже (стрелка вниз) с мутацией относительно сравниваемым (контрольным) гаплотипом, например, 13708A/CRS: м.13708A относительно базовой мутации CRS (Cambridge reference sequence); (L), (H1), (H2) — промоторы лёгкой и тяжёлой цепи мтДНК; M/N, L/H, H/J, K/H — сравниваемые гаплогруппы; * уровень значимости различий p <0,05.

Note: HG — haplogroups; áâ higher (arrow up) and lower (arrow down) differences between the mutation and compared (control) haplotype, for example, 13708A/CRS: m.13708A relative to the base CRS mutation (Cambridge reference sequence); (L), (H1), (H2) — mtDNA light and heavy chain promoters; M/N, L/H, H/J, K/H — compared haplogroups; * significance level — p <0.05.

 

Анализируя данные табл. 2 [52–57], можно отметить, что митохондриальный геном определяет особенности клеточного обмена в человеческих популяциях на глобальном (через макрогаплогруппы L, M, N), ландшафтном (через гаплогруппы), популяционном (через субгаплогруппы) и индивидуальном уровнях (через SNP, инсерции, делеции).

Соматические мутации мтДНК появляются в отдельных соматических клетках (кроме половых) и способствуют образованию в части ткани клеточных клонов, генотипически отличных от соседних нормальных и зародышевых линий клеток. Установлено, что в раковых тканях эти мутации становятся гомоплазмичными. По данным C.J. Pérez-Amado с соавт. [58], соматические мутации обнаруживаются в 73% исследованных раковых тканей молочной железы. Однонуклеотидные мутации составляют 98% (из них 10% трансверсии и 84% транзиции), делеции — 1%, инсерции — 1%. Самый высокий уровень соматических мутаций отмечается в области D-петли (95,4 мутации на 1000 п. н.), на втором месте — ген тРНК цистеина (92,3 мут./кб), а на третьем — тРНК треонина (92,3 мут./кб). Y.S. Ju с соавт. [59] на обширном материале исследования раковых тканей, взятых из различных злокачественных новообразований, установили, что высокий уровень соматических мутаций фундаментально связан с репликацией мтДНК. В отличие от нейтральных изменяющие белок мутации подвергаются отрицательному отбору и являются почти всегда гетероплазмичными, т.е. для выживания раковой опухоли нужно определённое количество нормально функционирующих митохондрий.

Следует отметить, что роль соматических мутаций в развитии рака, в частности рака молочной железы, не до конца выяснена. На рис. 3 показана динамика изменений в митохондрии при развитии рака молочной железы. По мнению H. Nie с соавт. [60], «большая» делеция 4977 п. н., обнаруживаемая в крови, может играть роль маркёра рака молочной железы. Эта делеция происходит между двумя локусами ACCTCCCTCACCA, расположенными между позициями 8470 и 13447 мтДНК, при этом один из этих локусов сохраняется. В составе 4977 п. н. удаляются частично гены ND5, ATP8, полностью — гены ND4, ND4L, ND3, COX3, ATP6 и 5 транспортных РНК. Эта делеция является одной из самых распространённых и в основном возникает спонтанно.

 

Рис. 3. Динамика изменений в митохондрии при развитии рака молочной железы. Красный фон и красная линия — возрастание роли активного гликолиза в производстве энергии клеток; зелёный фон и зелёная линия — снижение роли окислительного фосфорилирования в производстве энергии клеток; красные кружки — мтДНК с мутацией; зелёные кружки — зародышевые линии мтДНК. / Fig. 3. Dynamics of changes in mitochondria during breast cancer development. The red background and red line show the increasing role of active glycolysis in cell energy production; green background and green line — reduced role of oxidative phosphorylation in cell energy production; red circles — mtDNA with a mutation; green circles are mtDNA germ lines.

 

Большое количество противоречивых исследований, касающихся вариаций мтДНК (см. табл. 1), и их корреляции с раком молочной железы не дают сформулировать какие-то клинически значимые выводы о роли изменений мтДНК в развитии и прогрессировании рака [61]. Мутации, делеции и изменения числа копий мтДНК, несомненно, имеют отношение к развитию рака молочной железы, но не как определяющий фактор, а как один из важных элементов сложного клубка множества взаимодействий в концепции полиэтиологичности рака. Соматические мутации, которые однажды появляются в клетках молочной железы, прежде чем достичь гомоплазмии (т.е. 100% уровня) (см. рис. 3), проходят через множество защитных барьеров на молекулярном, гуморальном и клеточном уровнях. В настоящее время считается, что в митохондриях существует система исправления ошибок репликации, контролируемая ядерным геномом [62]. Сбой этой системы также может стать одной из причин рака. Не вдаваясь в подробности молекулярных и иммунологических механизмов противоопухолевой защиты, можно сказать, что в большей степени они относятся к ядерно-митохондриальным взаимоотношениям, разбор которых является темой отдельного обзора. Отметим, что возникновение злокачественных новообразований может быть вызвано также и нарушением функции митохондриального сигнального пути апоптоза. Считается, что апоптоз ингибирует развитие злокачественного новообразования на любых его этапах [63].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Митохондрии выполняют множество важных для клетки функций. Однонуклеотидные замены, делеции и снижение числа копий мтДНК не являются специфическими для рака молочной железы. Тем не менее экспериментально показано, что митохондрии прямо причастны к развитию злокачественных новообразований у экспериментальных животных. Вероятно, участие митохондрий в развитии рака обусловлено их дисфункцией с нарушением ядерно-митохондриальных взаимоотношений. С другой стороны, мутации со слишком сильным эффектом, полностью нарушающие функции митохондрий, лишаются своей опухольпродуцирующей способности. Мутации, делеции и изменение числа копий мтДНК, несомненно, имеют отношение к развитию рака молочной железы, но не как определяющий фактор, а как один из важных элементов сложного клубка множества взаимодействий.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источник финансирования. Исследование и публикация выполнены при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-25-20032).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Д.Г. Тихонов, М.М. Винокуров, Н.С. Киприянова и М.В. Голубенко — дизайн исследования; Д.Г. Тихонов и М.М. Винокуров — написание рукописи с участием всех авторов; Д.Г. Тихонов — курирование проекта. Все авторы внесли существенный вклад в концепцию работы, сбор, анализ, интерпретацию данных для работы, составление и пересмотр работы, окончательное утверждение версии для публикации и соглашаются нести ответственность за все аспекты работы.

ADDITIONAL INFO

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This work was supported by the Russian Science Foundation (grant N 22-25-20032).

Authors contribution. D.G. Tikhonov, M.M. Vinokurov, N.S. Kipriyanova and M.V. Golubenko — designed the study; D.G. Tikhonov and М.М. Винокуров — wrote the manuscript with input from all authors; D.G. Tikhonov — oversaw the project. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

About the authors

Dmitrii G. Tikhonov

M. K. Ammosov North-Eastern Federal University

Author for correspondence.
Email: tikhonov.dmitri@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3385-9471
SPIN-code: 5271-4123

Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, 58 Belinskogo street, 677000 Yakutsk

Mikael M. Vinokurov

M. K. Ammosov North-Eastern Federal University

Email: mm.vinokurov@s-vfu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1235-6560
SPIN-code: 8895-6455

Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, 58 Belinskogo street, 677000 Yakutsk

Nadezhda S. Kipriyanova

M. K. Ammosov North-Eastern Federal University

Email: kiprinad2@mail.ru

Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, 58 Belinskogo street, 677000 Yakutsk

Maria V. Golubenko

Research Institute of Medical Genetics, Tomsk National Research Medical Center of the Russian Academy of Sciences

Email: maria-golubenko@medgenetics.ru
ORCID iD: 0000-0002-7692-9954
SPIN-code: 5117-3684

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Tomsk

References

Supplementary files