Влияние митохондриальной дисфункции на метаболизм и ремоделирование костных клеток человека

Неповрежденная митохондриальная активность, включая адекватное снабжение энергией, жизненно важна для метаболически активных тканей, т. е. скелетных мышц, сердца и мозга. Скелет человека представляет собой дополнительную высокометаболически активную ткань; тем не менее значение роли митохондрий в здоровье костей скелета человека может быть дополнительно исследовано.

Ремоделирование кости представляет собой сопряженный и непрерывный регенеративный процесс деградации кости остеокластами, резорбирующими кость, с последующим формированием костного матрикса костеобразующими остеобластами (OB). Количественный дисбаланс между резорбцией и формированием приводит к нарушениям скелета с низкой костной массой, включая остеопороз, и повышенному риску переломов при малой кости.

Митохондрии генерируют клеточную энергию аденозинтрифосфат (АТФ) посредством процесса окислительного фосфорилирования (OXPHOS) в дыхательной цепи (RC) с вторичным производством вредных побочных продуктов, свободных радикалов, то есть активных форм кислорода (ROS). Примечательно, что митохондрии содержат свою собственную ДНК (мДНК), а субъединицы РЦ кодируются генами мДНК и ядерной ДНК (нДНК) соответственно. С возрастом вредные соматические мутации м.ДНК накапливаются в скелетных мышцах и сердце, а соматические мутации м.ДНК, а также наследственные мутации м.ДНК или н.ДНК могут приводить к митохондриальной дисфункции с нарушением продукции АТФ и накоплением АФК. Мутации м.ДНК могут нарушать функции головного мозга, скелетных и сердечных мышц, но их влияние на метаболизм и ремоделирование костных клеток человека неизвестно. Недавнее исследование когорты молодых людей показывает, что митохондриальные заболевания представляют риск переломов из-за хрупкости костей.

Доклинические исследования показывают, что АТФ и АФК регулируют костный метаболизм. Количество мДНК и митохондриальная активность увеличиваются, чтобы поддерживать дифференцировку скелетных (мезенхимальных) стволовых клеток человека (hMSC) в зрелые костеобразующие OB. Ингибирование митохондриальной активности или повышение уровня АФК подавляют дифференцировку ОЛ. Точно так же ОС богаты митохондриями. Культуры ОК человека демонстрируют, что запас энергии для дифференциации ОК от их предшественников основан на OXPHOS, в то время как резорбционная активность ОК зависит от гликолиза.

Кроме того, новые данные свидетельствуют о том, что метаболическая пластичность, то есть регуляция гликолиза, уровней OXPHOS и пирувата, способствует регуляции дифференцировки OB и OC.

Активатор рецептора лиганда ядерного фактора каппа-бета (RANKL), секретируемый ОЛ, активирует резорбцию ОК. У мышей стимуляция RANKL предшественников OC костного мозга увеличивает внутриклеточные уровни ROS, которые стимулируют дифференцировку OC и резорбцию кости in vitro. Кроме того, ROS ингибирует сигнальный путь бескрылого типа (Wnt) с ослаблением остеобластогенеза и уменьшением формирования кости.

Кроме того, мыши с мутациями в кодируемом нДНК домене для считывания м.ДНК-полимеразы POLG (PolgA-/-) накапливают мутации м.ДНК и проявляют фенотип преждевременного старения, включая низкую костную массу. Кроме того, дефицит митохондриального фактора транскрипции (TFAM), кодируемого n.DNA, вызывает истощение АТФ, а мыши с OC с дефицитом TFAM имеют повышенную активность OC и усиленную резорбцию кости. Напротив, общая потеря NADH (никотинамидадениндинуклеотида) убихиноноксидоредуктазы белка Fe-S 4 (NDUFS4) субъединицы в комплексе 1 RC ухудшает резорбцию кости, а у мышей (ndufs4-/-) наблюдается повышенная минеральная плотность кости (МПКТ) и выраженный фенотип остеопетроза кости.

Целью исследования является изучение фенотипа костных клеток у пациентов с редкими митохондриальными заболеваниями. Носителей MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). сборка комплекса РЦ с вторичным нарушением продукции АТФ. Фенотип частично связан с количеством мутаций m.3243A>G, т.е. уровнем гетероплазмии (процент m.3243A>G/мДНК дикого типа). В исследуемую группу также входят носители мутаций ядерных кодируемых POLG (MIM: 174763) и TWNK (MIM: 606075).

Гипотеза: нарушение функции митохондрий влияет на дифференцировку, метаболизм и активность костных клеток человека, что приводит к нарушению формирования и хрупкости костей.

Цель: определить, приводят ли носители наследственных митохондриальных мутаций, то есть митохондриальной дисфункции, истощения АТФ и вторичного повышения АФК, к изменению:

1. Скорость дифференцировки OB in-vitro, активность OB и формирование кости.
2. Дифференциация OC in vitro, активность OC и более высокая общая резорбция кости.
3. In-vivo изменения в тканях на уровне динамики костеобразования и резорбции по данным биопсии кости гребня подвздошной кости.

Дизайн, участники и методы: перекрестное исследование случай-контроль, включающее субъектов (старше 18 лет), несущих одну из следующих мутаций:

1. МТ-ТЛ1 м.3243А>Г
2. Мутация POLG
3. ТВНК

N = 10 случаев с каждым патогенным генетическим вариантом и равное количество контролей (n = 30), совпадающих по полу, возрасту и ИМТ.