Выявлен молекулярный маркер старения в митохондриальной ДНК
По статье: Mikhailova A. et al. A mitochondria-specific mutational signature of aging: increased rate of A > G substitutions on the heavy strand // Nucleic Acids Research, 2022, Vol. 50, No. 18 Published online 21 September 2022 https://doi.org/10.1093/nar/gkac779Работа сделана при ведущем участии сотрудников Лаборатории системной биологии и вычислительной генетики (зав. - д.ф-м.н., чл.-корр. РАН В.Ю. Макеев).
Опубликовано на сайте PCR.news
Сравнив мутационный спектр митохондриальной ДНК нескольких сотен видов млекопитающих, специалисты обнаружили, что частота замен A > G в «тяжелой» цепи мтДНК ассоциирована с возрастом животного и с продолжительностью существования вида. Они связывают это с продуктами оксидативного стресса и предполагают, что эта мутация может быть митохондриальным маркером старения.
Спектр мутаций митохондриальной ДНК (мтДНК) иной, чем в ядерной ДНК, и эти различия до сих пор были мало изучены. Команда российских ученых, аффилированых как с отечественными, так и с зарубежными научными организациями, исследовала митохондриальный мутагенез у нескольких сотен видов млекопитающих и нашла признак, который ассоциирован со временем генерации поколения (средний возраст репродуктивных животных в популяции), а значит и с продолжительностью жизни вида. Статья с результатами опубликована в журнале Nucleic Acids Research, ее основные авторы представляют Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта, Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова и множество других институтов и университетов в России, Австрии, Франции, Швейцарии, Великобритании и других странах.
Митохондриальная ДНК у млекопитающих имеет кольцевую форму и состоит из так называемых тяжелой и легкой цепей. Они содержат неодинаковое количество «тяжелых» пуриновых и «легких» пиримидиновых нуклеотидов. Тяжелая цепь (H-strand) обогащена гуанином и бедна цитозином; легкая цепь (L-strand) — наоборот. Репликация кольцевой мтДНК происходит асинхронно, в процессе родительская тяжелая цепь некоторое время находится в одноцепочечном состоянии, пока на комплементарной ей родительской легкой цепи синтезируется дочерняя тяжелая цепь. В этом состоянии она более подвержена двум самым частым нуклеотидным транзициям: CH > TH и AH > GH. Они ведут к дефициту CH и избытку GH в тяжелой цепи.
Собрав все доступные данные секвенирования мтДНК у 611 видов млекопитающих, авторы работы исследовали спектр соматических митохондриальных мутаций. Для каждого вида они получили список из 12-ти типов однонуклеотидных замен. Мутационный спектр представляет собой вероятность замены какого-то нуклеотида любым другим. Изученные виды отличались по времени генерации поколения (показатель, который хорошо аппроксимирует массу животного и его продолжительность жизни).
Ученые обнаружили, что у видов с разным временем генерации поколения в мтДНК различается соотношение нуклеотидов GH/AH, в то время как соотношение TH/CH значимо не различается. Они предположили, что причина состоит в частоте замен AH > GH — у видов с большим временем генерации поколения они происходят чаще. Для сравнения мутационного спектра выбрали ген Cytb — наиболее унифицированный и часто встречающийся по всей базе митохондриальных геномов млекопитающих.
Для начала авторы сравнили мутационный спектр у двух видов, контрастных по времени генерации поколения и по продолжительности жизни, — человека и мыши. Оказалось, что частота замен AH > GH, во-первых, увеличивается с возрастом, как у мыши, так и у человека. А во-вторых, у человека она в 11 раз выше по сравнению со старыми мышами и почти в 71 раз — по сравнению с молодыми. То же подтвердилось и для мутаций мтДНК не в соматических, а в половых клетках — яйцеклетках, так как только они передают митохондрии следующему поколению. Частота de novo замен AH > GH у потомства увеличивалась и с возрастом матери.
Этот вывод подтвердился на базе 424 видов млекопитающих, в которой проанализировали более 70 тысяч нейтральных синонимичных нуклеотидных замен в мтДНК. Частота замен AH >GH коррелировала со временем генерации и, следовательно, с продолжительностью жизни вида. У млекопитающих с наибольшим временем генерации поколения (более 5221 дня) частота AH > GH была вдвое выше, чем для млекопитающих с наименьшим временем генерации поколения (менее 554 дней).
Кроме того авторы показали, что частота AH > GH замен зависит от того, какое время тяжелая цепь находится в одноцепочечном состоянии (time spent single-stranded, TSSS) в ходе асинхронной репликации мтДНК. Это время различается для разных генов в зависимости от их положения относительно точки начала репликации легкой цепи. Для близко расположенного к ней гена (COX1) TSSS меньше и частота AH > GH ниже. Для далеко расположенного гена CYTB оба эти показателя выше.
Разбираясь в факторах, влияющих на митохондриальный мутагенез, ученые прежде всего обращают внимание на продукты оксидативного стресса (ROS), которые образуются в митохондриях и могут повреждать ДНК. В ядерной ДНК описана вызванная ROS замена G > T, и именно она считается маркером оксидативного стресса, однако в мтДНК она происходит довольно редко. Известно, что продукты ROS накапливаются с возрастом. Поскольку авторы работы обнаружили, что в мтДНК с возрастом увеличивается частота замен AH > GH, они выдвинули гипотезу, что эта мутация связана с ROS, и для митохондриального генома именно ее можно считать маркером оксидативного стресса. Они определяют ее как рабочую гипотезу, которая может быть проверена в будущих исследованиях.
На вопросы PCR.news ответила первый автор статьи Алина Михайлова, представляющая Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта и Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН.
Поскольку частота замен AH > GH увеличивается с возрастом, можно ли рассматривать ее как показатель старения организма?
Да, мы полагаем, что эту мутацию можно использовать как «маркер возраста», и таким образом в дальнейшем по ее частотам предсказывать различные параметры организма (возраст, продолжительность жизни и т.д.). Мы планируем разработать для этих целей так называемую модель мутагенеза митохондриальной ДНК. Например, частоты A>G замещений играют важную роль в восстановлении репродуктивного возраста женщин. Мы считаем, что наши результаты помогут обратить внимание общества на проблему увеличенного возраста материнства и роста числа митохондриальных заболеваний из-за de novo мутаций в митохондриальной ДНК пожилых ооцитов.
Правильно ли я поняла один из выводов вашей работы — о том, что изменение нуклеотидного состава мтДНК — это результат мутагенеза, но не отбора на более стабильный геном?
Мы определяли мутации в «нейтральных» регионах генома, то есть они не изменяют белок, закодированный в данном гене. Иными словами, эти мутации — просто отголосок каких-то химических процессов, случайно оставленный в ДНК. Однако наша работа впервые показала, что мутационные процессы в митохондриальной ДНК сильны и могут значительно модифицировать геномы. В некоторых других связанных проектах, над которыми мы работаем, мы надеемся показать этот эффект с разных сторон. Так, мы изучаем мутационные спектры аминокислот в митохондриальных геномах, мутационные спектры митохондриальной ДНК рыб, птиц и других животных.
подготовила Надежда Маркина
Источник:
Alina G. Mikhailova, et al. A mitochondria-specific mutational signature of aging: increased rate of A > G substitutions on the heavy strand // Nucleic Acids Research, 2022, Vol. 50, No. 18 DOI: 10.1093/nar/gkac779