К основным нейродегенеративным заболеваниям относят болезнь Альцгеймера (БА), боковой амиотрофический склероз (БАС), хорею Гентингтона, болезнь Паркинсона (БП) [26]. Известно, что основной причиной развития этих патологических процессов являются мутации различных белков с образованием внутриклеточных агрегатов. К таким белкам относят предшественник β-амилоида (БА), пресенилин 1 и 2 (БА), т-белок (БП), α-синуклеин (БП), хантингтин (хорея Гентингтона), паркин (БП), супероксиддисмутазу-1 (БАС), убиквитин (БА, БП, БАС), фратаксин (атаксия Фридрейха) и др. [28, 37, 39].

Установлено также, что структурно-функциональные нарушения митохондрий являются одним из основных патогенетических звеньев, связующих нарушение структуры, функций перечисленных белков и накопление их в нейронах с развитием дегенеративных нарушений в нервной ткани [37]. К основным проявлениям митохондриальной дисфункции относят снижение синтеза АТФ, продукцию активных форм кислорода, активизацию механизмов программированной гибели клетки (ПГК), включая апоптоз, аутофагию и некрозоподобные изменения [14]. Следствием этих процессов являются подавление энергоемких процессов в нейронах, повреждение свободными радикалами мембранных структур клеток, развитие процесса воспаления в нервной ткани, гибель функциональных нервных клеток, нарушение синаптической передачи сигналов, увеличение высвобождения глутамата из пресинаптических терминалей, снижение пластичности синаптических контактов, активизация воспаления [23, 38]. Дальнейшее изучение механизмов формирования дисфункции митохондрий в патогенезе нейродегенеративных процессов должно способствовать уточнению патогенетических механизмов, вовлеченных в развитие нейродегенеративных заболеваний.

Развитие митохондриальной дифункции под влиянием дефектных белков, специфичных для нейродегенеративных процессов, было установлено в экспериментах in vitro на клеточных линиях, внеклеточных системах, и in vivo на трансгенных животных и в опытах с использованием ингибиторов функций митохондрий [33, 37, 39]. Значительный интерес представляет увеличение уровня дефектных белков в клетке под воздействием митохондриальной дисфункции, что свидетельствует о возможности формирования «порочного круга» между продукцией дефектных протеинов и дисфункцией митохондрий. Установлено, что хроническое воздействие низкими дозами ротенона (25-50 nM, 8 дней) способствует аккумуляции убиквитинилированных белков, активизации E1-убиквитина и увеличению активности протеасом [49]. Генерация митохондриями АФК способствует агрегации -синуклеина, что подтверждается в экспериментах на культурах клеток, обработанных ротеноном [24]. Показана возможность индукции нейродегенеративных изменений у крыс воздействием ротенона. При этом нарушения активности дыхательного комплекса I могут инициировать накопление в нервных клетках гиперфосфорилированного т-белка и в меньшей степени - α-синуклеина [18].

Изложенные факты характеризуют митохондриальную дисфункцию как активное звено патогенеза нейродегенеративных процессов. Это предопределяет необходимость изучения механизмов развития структурно-функциональных нарушений митохондрий в условиях развития нейродегенеративных заболеваний. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о значительном многообразии процессов, способствующих формированию структурно-функциональных нарушений в митохондриях нервных клеток.

В данном обзоре обсуждаются следующие механизмы повреждений и дизрегуляционных воздействий на митохондрии: активизация неспецифических механизмов ответа на нарушение нативной структуры белков - unfolded protein response (UPR); утрата функции митохондриальных белков; непосредственные токсические эффекты дефектных белков на митохондрии; активация митохондриальных механизмов ПГК; дизрегуляция процессов утилизации, деления и слияния митохондрий; нарушение транспорта и внутриклеточного распределения митохондрий.

Развитие UPR и стресс эндоплазматического ретикулума . Известна взаимосвязь нарушений функций протеасом с развитием различных нейродегенеративных заболеваний [25]. Установлено, что формирование депозитов дефектных белков при нейродегенеративных процессах приводит к развитию UPR и как следствие - стрессу эндоплазматического ретикулума (ЭР) [19]. Установлено, что ЭР, находящийся в состоянии опосредованного UPR-стресса, способствует развитию дегенеративных изменений в митохондриях [32]. На культуре клеток линии PC12 показано, что экспрессия A53T α-синуклеина способствует снижению активности протеасом, развитию стресса ЭР, увеличению продукции АФК и возрастанию частоты ПГК, сопровождающейся высвобождением цитохрома С из митохондрий и активацией каспаз-9 и -3 [39]. Известно, что результатом пролонгированного UPR является индукция апоптоза за счет высвобождения цитохрома С из митохондрий и активации каспаз. Основная роль при передаче суицидного сигнала от ЭР митохондриям отводится высвобождению в цитоплазму Са²⁺ и белка Ire1 [45, 48]. Увеличение концентрации Са²⁺ в цитоплазме может индуцировать высвобождение факторов ПГК из митохондрий посредством различных механизмов. Одним из таких процессов является активация белков, способствующих формированию митохондриальных каналов: Bax и Bid за счет активизации кальпаинов, а также Bad и Bik посредством активации кальцинейрина. Следующий механизм заключается в стимуляции Са²⁺-чувствительной изоформы нитросинтазы, способствующей увеличению окислительного стресса в клетке. Другим механизмом является активизация мегаканалов митохондрий за счет воздействия избыточного количества Са²⁺ [11]. Еще один из известных механизмов заключается в повреждении митохондриальной мембраны вследствие активации фосфолипазы А2 [45]. Возможно участие UPR в интенсификации утилизации митохондрий посредством индукции в клетке процессов макроаутофагии [27]. Показано увеличение в условиях стресса ЭР уровня проапоптотического фактора HtrA2 в митохондриях, что способствует возрастанию интенсивности опосредуемого ими суицидного сигнала [16]. Таким образом, в условиях развития нейродегенеративных процессов митохондрии являются одним из звеньев, интегрирующих сигналы ЭР, находящегося в состоянии стресса, и определяют судьбу клетки в зависимости от состояния данной системы.

Токсический эффект мутантных белков на митохондрии . Показана возможность прямого влияния дефектных белков и их депозитов на функции митохондрий. Существует мнение, что на начальных этапах развития БА накопление β-амилоида и гиперфосфорилирование т-белка могут служить в качестве естественных механизмов защиты клетки от окислительного стресса, развивающегося как следствие прогрессирования митохондриальной дисфункции и накопления редокс-активных металлов [28]. Тем не менее превышение определенного порогового уровня концентрации данных белков в клетке способствует развитию в митохондриях структурно-функциональных нарушений. Установлено, что в мозге пациентов с БА пептид β-амилоида способен в высокой степени накапливаться в митохондриях и нарушать активность ферментов гликолиза и цикла Кребса, активизировать продукцию АФК [8]. Интересной является способность внеклеточного домена белка-предшественника амилоида и пептида β-амилоида ингибировать синтез АТФ комплексом АТФ-синтазы в условиях in vitro. Это определяется сходством структуры этого домена с естественным ингибитором F(1)-субъединицы АТФ-синтазы в митохондриях (IF(1)) [37]. Показано, что фибриллы β-амилоида и его белок-предшественник способны связываться с митохондриальной мембраной [36]. Установлено, что белок - предшественник β-амилоида накапливается преимущественно на каналах импорта белков в митохондриях ткани мозга пациентов с БА. Взаимодействуя с митохондриальной мембраной, данный белок формирует стабильные комплексы массой 480 кДа с транслоказой TOM40 и комплексы 620 кДа как с транслоказой TOM40, так и с TIM23. Это обусловливает подавление импорта в митохондрии кодируемых ядерным геномом белков: субъединиц IV и Vb цитохром-оксидазы, что приводит к ингибированию данного белкового комплекса и увеличению продукции митохондриями H₂O₂ [12]. С помощью трансмиссионной электронной микроскопии высокого разрешения подтверждена возможность формирования пор в мембранах митохондрий и других органелл из олигомеров белка - предшественника β-амилоида, что способствует нарушению ионного баланса в клетке и служит причиной развития ПГК [20]. Показана способность белка - предшественника β-амилоида стимулировать активность фосфолипазы D, что приводит к изменению фосфолипидного спектра митохондриальных мембран: увеличивается концентрация фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и фосфатидной кислоты [21]. Установлено, что связывание гема пептидом β-амилоида приводит к его дефициту в клетке, способствуя развитию нарушений в содержащем гем IV комплексе электрон-транспортной цепи митохондрий [1]. У трансгенных крыс, экспрессирующих хантингтин человека, наблюдали агрегацию данного белка в митохондриях, что способствовало развитию митохондриальной дисфункции [33]. Показано, что N-концевой фрагмент α-синуклеина человека несет скрытый сигнал, определяющий его локализацию в митохондриях. Импортированный в митохондрии α-синуклеин преимущественно ассоциирован с внутренней митохондриальной мембраной. Накопление α-синуклеина в митохондриях дофаминергических нейронов человека способствует снижению активности I дыхательного комплекса и как следствие увеличению продукции митохондриями АФК [13]. Установлено, что еще одним следствием взаимодействия α-синуклеина с митохондриями является высвобождение из них цитохрома С в цитозоль [30]. В целом изложенные выше данные объективно показывают возможность накопления мутантных белков и их агрегатов в матриксе митоходрий и их ассоциации с митохондриальными мембранами. Данные белки способны непосредственно взаимодействовать на различные структуры митоходрий: АТФ-синтазу, транслоказы TOM40 и TIM23, мембраны митохондрий (формирование пор из олигомеров белка - предшественника β-амилоида).

Активация митохондриальных механизмов ПГК . Помимо прямого влияния указанных выше дефектных белков на функции митохондрий, установлена их способность активизировать высвобождение митохондриальных апоптотических факторов за счет прямого или косвенного воздействия на регуляторные белки: p53, Akt, Bad, Bax, Bcl-x(L), кальцинейрин и др. Показано, что мутантный гентингтин взаимодействует с p53, что способствует увеличению его уровня в ядре. Нарушение активности p53 под воздействием РНК-интерференции, делеции гена способствовало предотвращению деполяризации мембран митохондрий и компенсировало цитотоксический эффект митохондриальной дисфункции [3]. Установлено, что пептид β-амилоида индуцирует апоптоз цереброваскулярных клеток эндотелия за счет инактивации протеинкиназы Akt, препятствующей активизации сигналов апоптоза с участием Bad. Следствием этих событий является развитие митохондриальной дисфункции, сопровождающейся высвобождением из митохондрий эндонуклеазы G и Smac [46]. Установлено, что пептид β-амилоида активизирует высвобождение цитохрома С из митохондрий за счет дефосфорилирования Bad под воздействием кальцинейрина [6]. Показана способность фосфорилированной формы т-белка активизировать механизмы апоптоза, характеризуемые снижением трансмембранного потенциала митохондрий, увеличением уровня JNK, Bim, Bad, Bax и каспазы-3 [47]. В эксперименте с культурой нейронов из мозжечка, стриатума и черной субстанции, трансфецированных мутантным геном атаксина-3, показано, что последний активизирует высвобождение цитохрома С и Smac за счет активации экспрессии Bax и подавления экспрессии Bcl-x(L) [9]. Накопление в нейронах церамидов, наблюдаемое при различных нейродегенеративных процессах, может способствовать активизации ПГК за счет индукции выхода некоторых проапоптотических белков митохондрий: цитохрома С, Omi, SMAC и AIF [40]. Резюмируя изложенное выше, в условиях развития нейродегенеративных процессов дефектные протеины оказывают влияние на различные звенья системы ПГК, взаимодействующих с митохондриями. Увеличение интенсивности воздействия суицидных сигналов на митохондрии способствует снижению трансмембранного митохондриального потенциала, продукции митохондриями АФК и высвобождению из данных органелл факторов, инициирующих механизмы реализации программированной клеточной гибели.

Недостаточность функций митохондриальных белков . Установлено, что одним из механизмов развития БАС может является катализ мутантным вариантом специфичной для митохондрий супероксиддисмутазы-1 атипичных биохимических реакций, продуктом которых могут быть различные свободные радикалы, в том числе супероксидный анион, гидроксильный радикал, перекись водорода и пероксинитрит. Высокий уровень активных форм кислорода может повреждать митохондриальные структуры и участвовать в развитии митохондриальной дисфункции [15]. Установлено, что мутации данного фермента способствуют ослаблению антероградного транспорта митохондрий в отростках нейронов [10]. В смешанной первичной культуре из астроцитов и мотонейронов показано, что экспрессия мутантной формы супероксиддисмутазы-1 SOD1(G93A) астроцитами способствует снижению митохондриального потенциала и редокс-статуса митохондрий как в самих астроцитах, так и культивируемых совместно мотонейронах [5]. Установлено, что развитию рецессивно наследуемого паркинсонизма способствуют нарушения структуры белка DJ-1 (PARK7) - компонента антиоксидантной защиты митохондрий, ядра и модулятора транскрипционной активности [22]. Показано, что точечные мутации митохондриального белка HtrA2 (PARK13) являются фактором восприимчивости к БП [34]. Низкий уровень экспрессии митохондриального железосвязывающего белка фратаксина, наблюдаемый при атаксии Фридрейха, способствует накоплению железа в митохондриях, нарушениям железо-серных кластеров и высокой чувствительности к окислительному стрессу [2]. У пациентов, страдающих аутосомно-доминантной формой наследственной спастической параплегии, выявлены мутации гена HSPD1, кодирующего митохондриальный шаперонин Hsp60. Это, вероятно, является причиной нарушения системы утилизации дефектных белков митохондрий [17]. Таким образом, функциональная недостаточность различных митохондриальных белков способствует нарушению в митохондриях систем антиоксидантной защиты, гомеостаза железа, утилизации дефектных протеинов, что способствует развитию структурно-функциональных нарушений митохондрий в условиях развития нейродегенеративных процессов.

Нарушение процессов деления и слияния митохондрий . В настоящее время показана тесная взаимосвязь процессов фрагментации и слияния митохондрий с активацией митохондриальных механизмов ПГК [4]. Установлено, что PINK1 (PTEN-induced putative kinase 1) и паркин являются компонентами системы слияния/деления митохондрий и принимают участие в поддержании их целостности и сохранности функций. Мутации генов PINK1 и паркина наблюдаются у пациентов с рецессивными формами БП [31]. Моделирование таких нарушений на Drosophila melanogaster показало наличие структурных нарушений митохондрий (увеличение, набухание) различных тканей организма, включая мышцы и дофаминергические нейроны [35]. Установлено, что мутации паркина (PARK2) способствуют нарушению элиминации дефектных форм митохондрий аутофагосомами [29]. Сверхэкспрессия белка - предшественника β-амилоида клетками линии М17 сопровождается нарушениями системы слияния/деления митохондрий: значительно снижаются уровни динаминоподобного белка-1 и OPA-1, в то время как уровень Fis-1 существенно возрастает [44]. Резюмируя изложенное выше, врожденные и приобретенные дефекты системы фрагментации/слияния митохондрий, способствуя развитию митохондриальной дисфункции и активизации процессов ПГК, принимают участие в формировании нейродегенеративных процессов.

Нарушение утилизации митохондрий . Предполагается, что избыточная активность аутофагических процессов может приводить к снижению численности митохондрий в клетке [32]. При нейродегенеративных заболеваниях выявлено ингибирование активности протеасом, что нарушает гомеостаз митохондрий в клетке и способствует прогрессированию митохондриальной дисфункции. Это объективно подтверждается возможностью индукции митохондриальной дисфункции с помощью ингибиторов функций протеасом [24]. Следствием этих процессов является активизация макроаутофагии митохондрий и накопление в лизосомах липофусцина - продукта неполной деградации митохондриальных компонентов, что приводит к снижению активности деградации белков посредством аутофагии [41]. Накопление липофусцина по мере старения показано для клеток микроглии, сопровождаясь увеличением концентрации мРНК провоспалительных (ФНО-α, Ил-1β, Ил-6) и противовоспалительных (Ил-10, ТФР- 1) цитокинов [38]. В целом нарушения процессов утилизации митохондрий приводят к снижению количества функционально полноценных митохондрий, накоплению продуктов их неполного распада в нервных клетках, ослаблению резистентности, развитию нейродегенеративных изменений.

Нарушение транспорта и внутриклеточного распределения митохондрий . Подавление аксонального транспорта митохондрий под влиянием дефектных форм т-белка и хантингтина приводит к нарушению обеспечения энергией отростков нервных клеток, основным следствием чего является нарушение синаптической передачи и дегенерации синапсов. Установлено, что сверхэкспрессия человеческого т-белка в моторных нейронах личинок Drosophila melanogaster приводит к редукции функционально-полноценных митохондрий в пресинаптических терминалях, способствуя при этом нарушению синаптической передачи сигналов [7]. При трансфекции гена т-белка в зрелые нейроны гиппокампа наблюдалось нарушение его распределения в клетках, подавление транспорта митохондрий и других органелл с последующей дегенерацией синапсов [42]. Установлено, что экспрессия мутантного хантингтина ослабляет аксональный транспорт органелл нервных клеток, в том числе и митохондрий [43]. Таким образом, нарушение транспорта и распределения митохондрий в нейронах является дополнительным фактором, способствующим развитию дегенеративных процессов в нервной ткани.

Таким образом, механизмы формирования митохондриальной дисфункции в условиях развития нейродегенеративных процессов характеризуются многогранностью и высокой сложностью. Это определяется разнообразием мутантных белков, ассоциированных с нейродегенеративными заболеваниями и комплексностью их негативного воздействия. Универсальным механизмом развития митохондриальной дисфункции в данном случае является стресс ЭР, способствующий увеличению концентрации Са²⁺ в цитозоле, активизации митохондриальных механизмов ПГК и процесса митофагии. Ряд мутантных протеинов и их агрегаты (белок-предшественника β-амилоида, α-синуклеин) способны оказывать токсический эффект непосредственно на митохондрии. Данные белки образуют комплексы с митохондриальными структурами, подавляют активность АТФ-синтазы, нарушают процессы импорта в митохондрии белков из цитозоля транслоказами (TOM40, TIM23) и могут образовывать поры в мембранах. Это способствует снижению продукции АТФ, нарушению работы электронтранспортной цепи и падению трансмембранного потенциала митохондрий. Интересным является развитие нейродегенеративных процессов как следствия нарушений некоторых митохондриальных белков: супероксиддисмутазы-1, DJ-1, фратаксина, митохондриального Hsp60. Экспрессия данных протеинов способствует нарушению антиоксидантной защиты, гомеостаза железа, утилизации дефектных протеинов в митохондриях.

Наблюдаемые при нейродегенеративных процессах нарушения внутриклеточной динамики митохондрий также оказывают негативный эффект на функции данных органелл. Наследственная и приобретенная функциональная недостаточность системы фрагментации и слияния митохондрий, ассоциированная с развитием паркинсонизма и БА, приводит к формированию митохондриальной дисфункции и активизации процессов ПГК. Высокая активность в нервных клетках митофагии, как и ослабление элиминации органелл, имеющих структурно-функциональные нарушения, могут способствовать смещению баланса между функционально полноценными и дефектными митохондриями. Дополнительным фактором, способствующим развитию дегенеративных процессов в нервной ткани, является нарушение транспорта и распределения митохондрий в нейронах, что приводит к формированию в отростках нервной клетки областей с дефицитом митохондрий и нарушению синаптической передачи сигналов со снижением пластичности синаптических контактов.

Таким образом, в патогенезе нейродегенеративных заболеваний митохондрии являются важным звеном, интегрирующим сигналы ЭР, находящегося в состоянии стресса, прямые и косвенные воздействия мутантных протеинов. Рассмотренные в данном обзоре закономерности требуют дальнейшего изучения, что будет способствовать созданию более целостной картины патогенеза многих нейродегенеративных заболеваний. Многообразие механизмов развития митохондриальной дисфункции и универсальность принципов ее участия в патогенезе различных нейродегенеративных изменений представляет значительный научно-практический интерес для формирования стратегии профилактики и лечения нейродегенеративных заболеваний.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» (проект 21.15) и Интеграционных проектов СО РАН (проекты 7, 83, 98).