Russian Journal of ImmunologyRussian Journal of ImmunologyРоссийский иммунологический журнал1028-72212782-7291Russian Society of Immunology1701210.46235/1028-7221-17012-PMISHORT COMMUNICATIONSКРАТКИЕ СООБЩЕНИЯShort CommunicationPoint mutations in the mitochondrial genome of skeletal muscle in patients with osteoarthritisТочечные мутации в митохондриальном геноме скелетной мускулатуры у больных остеоартритамиGoncharovA. G.ГончаровА. Г.
Russian Federation

PhD (Medicine), Senior Researcher, Center for Immunology and Cellular Biotechnologies

к.м.н., старший научный сотрудник Центра иммунологии и клеточных биотехнологий

agoncharov59@mail.ruJigkaevA. Kh.ДжигхаевА. Х.
Russian Federation

PhD (Medicine), Associate Professor, Department of Surgical Disciplines of the Higher School of Medicine, Institute of Medicine and Life Sciences; Head, Department of Traumatology and Orthopedics

к.м.н., доцент кафедры хирургических дисциплин Высшей школы медицины ОНК «Институт медицины и наук о жизни»; заведующий отделением травматологии и ортопедии

agoncharov59@mail.ruLobanovaV. V.ЛобановаВ. В.
Russian Federation

Junior Researcher, Center for Genomic Research

младший научный сотрудник Центра геномных исследований

agoncharov59@mail.ruKozenkovI. I.КозенковИ. И.
Russian Federation

Junior Researcher, Center for Genomic Research

младший научный сотрудник Центра геномных исследований

agoncharov59@mail.ruKhaibulinE. V.ХайбулинЭ. В.
Russian Federation

Junior Researcher, Center for Genomic Research

младший научный сотрудник Центра геномных исследований

agoncharov59@mail.ruPopadinK. Yu.ПопадьинК. Ю.
Russian Federation

PhD (Biology), Senior Researcher, Center for Genomic Research

к.б.н., старший научный сотрудник Центра геномных исследований

agoncharov59@mail.ruGunbinK. V.ГунбинК. В.
Russian Federation

PhD (Biology), Senior Researcher, Center for Genomic Research

к.б.н., старший научный сотрудник Центра геномных исследований

agoncharov59@mail.ruImmanuel Kant Baltic Federal UniversityБалтийский федеральный университет имени Иммануила КантаFederal Center for High Medical TechnologiesФедеральный центр высоких медицинских технологий160220252822632700807202406082024Copyright ©; 2025, Goncharov A.G., Jigkaev A.K., Lobanova V.V., Kozenkov I.I., Khaibulin E.V., Popadin K.Y., Gunbin K.V.Copyright ©; 2025, Гончаров А.Г., Джигхаев А.Х., Лобанова В.В., Козенков И.И., Хайбулин Э.В., Попадьин К.Ю., Гунбин К.В.2025Goncharov A.G., Jigkaev A.K., Lobanova V.V., Kozenkov I.I., Khaibulin E.V., Popadin K.Y., Gunbin K.V.Гончаров А.Г., Джигхаев А.Х., Лобанова В.В., Козенков И.И., Хайбулин Э.В., Попадьин К.Ю., Гунбин К.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://rusimmun.ru/jour/article/view/17012

Osteoarthritis (OA) is one of the most common diseases of the musculoskeletal system, accomplished by a high level of disability. The leading pathogenetic factors of these age-associated diseases include the interrelated processes of “inflammatory aging” and mitochondrial dysfunction, which lead to the development of chronic inflammation and degradation of different joint tissues. The present article contains results about point mutations in mitochondrial genome of peri-articular muscular tissues in the patients with primary OA (experimental group) and post-traumatic osteoarthritis (control group). The study involved 67 volunteers over 53 years old with basic diagnosis of post-traumatic or primary gonarthrosis / coxarthrosis stage 3. Clinical diagnosis was made on the basis of medical history, complaints, clinical and X-ray examination data. The material for the study included the samples of muscles (80 to 100 mm3) obtained at knee or hip replacement surgery. Several techniques have been adapted for isolation, enrichment and purification of nucleic acids, thus allowing to obtain up to 500 ng of mitochondrial DNA (mtDNA) from the biopsies. The prepared mtDNA libraries were sequenced at NGS platform. Bioinformatic analysis was carried out using the following programs: MitoHPC (to detect rare single-nucleotide mutations of mtDNA), MitoSAlt (to detect rare deletions at the mtDNA level) and Splice-Break2 (to detect rare deletions at the level of mtDNA RNA transcripts). Common point mutations A189G (adenine to guanine at position 189) and T408A (thymine to adenine at position 408) were detected. In the control group, the A189G mutation was revealed in 7 patients and T408A mutation was found in 8 volunteers (both mutations were detected in 6 out of 9 persons). In experimental group, the A189G mutation was found in 43 of 58 patients, T408A – in 35 volunteers. In this group of volunteers, both mutations were registered in 19 subjects. The level of mutation frequency, expressed as allele frequency (VAF) in the experimental group significantly exceeded that of the control group. Moreover, in experimental group, unlike control group, a significant correlative relationship was established between the presence of an increased level of mutations in the mitochondrial genome, and a number of clinical and laboratory parameters in volunteers. The described mutations in the mitochondrial genome of periarticular muscle tissue seem to be associated both with aging process and with the direct development of age-associated pathology, i.e., osteoarthritis. The increased levels of mutations in positions 189 and 408 of the regulatory region of mitochondrial genes detected in our patients are apparently associated with both increased level of mutations typical of pathological aging and, possibly, with genotoxic effects of high-dose therapy with non-steroidal anti-inflammatory drugs on mitochondrial genome.

Остеоартриты (ОА) относятся к наиболее распространенным заболеваниям костно-мышечной системы сопровождающимся высоким уровнем инвалидизации. В патогенезе этих возраст-ассоцированных заболеваний среди ведущих факторов выделяют взаимосвязанные между собой процессы «воспалительного старения» и митохондриальной дисфункции, которые приводят к развитию хронического воспаления и деградации всех компонентов сустава. В статье приведены результаты оценки уровня точечных мутаций в митохондриальном геноме околосуставной мышечной ткани у пациентов с первичным (экспериментальная группа) и посттравматическими (контрольная группа) ОА. В исследовании приняло участие 67 добровольцев в возрасте старше 53 лет с основным диагнозом «посттравматический или первичный гонартроз / коксартроз 3-й стадии». Диагноз ставился на основании анамнеза, жалоб, клинической картины и данных рентгенологического обследования. Материалом для исследования были образцы мышечной ткани объемом от 80 до 100 кубических миллиметров, полученные при выполнении операции по эндопротезированию коленного или тазобедренного суставов. Для выделения, обогащения и очистки было адаптировано несколько методик, которые позволили получать из биопсийного материала до 500 нг митохондриальной ДНК (мтДНК). Подготовленные библиотеки мтДНК проходили секвенирование на NGS-платформе. Биоинформатический анализ проводился с использованием программ: MitoHPC (для выявления редких однонуклеотидных мутаций мтДНК), MitoSAlt (для выявления редких делеций на уровне мтДНК) и Splice-Break2 (для выявления редких делеций на уровне РНК-транскриптов мтДНК). Обнаружены точечные мутации A189G (аденин в гуанин в позиции 189) и T408A (тимин в аденин в позиции 408). В контрольной группе у 7 пациентов обнаружена мутация A189G и у 8 волонтеров T408A (у 6 из 9 человек выявлены обе мутации). В экспериментальной группе мутация A189G найдена у 43 из 58 пациентов, T408A – у 35 добровольцев. В этой группе у волонтеров обе мутации отмечены у 19 испытуемых. Уровень частоты мутаций, выраженный в частоте аллелей (VAF), в экспериментальной группе достоверно превышал показатели контрольной группы. В экспериментальной группе, в отличие от контрольной, установлена достоверная коррелятивная связь между наличием повышенного уровня мутаций в митохондриальном геноме и рядом клинико-лабораторных показателей добровольцев. Описанные в работе мутации в митохондриальном геноме околосуставной мышечной ткани, по-видимому, связаны как с процессами старения, так и с непосредственным развитием возраст-ассоциированной патологии – остеоартрита. Выявленные у наших пациентов из экспериментальной группы повышенные уровни мутаций в позициях 189 и 408 регуляторной области митохондриального генома, по-видимому, связаны как с повышенным уровнем мутаций, характерным для патологического старения, так и, возможно, с генотоксическим влиянием повышенных доз нестероидных противовоспалительных средств на митохондриальный геном.

osteoarthritisinflammationagingmitochondriamutationsmusclesостеоартритывоспалениестарениемитохондриимутациимышцыРоссийский научный фондRussian Science Foundation21-75-20145Зоткин Е.Г., Дыдыкина И.С., Лила А.М. Воспалительная теория старения, возраст-ассоциированные заболевания и остеоартрит // РМЖ, 2020. № 7. С. 33-38. [Zotkin E.G., Dydykina I.S., Lila A.M. Inflammatory theory of aging, age-related diseases and osteoarthritis. RMZh = Russian Medical Journal, 2020, no. 7, pp. 33-38. (In Russ.)]Середа А.П., Кочиш А.А., Черный А.А., Антипов А.П., Алиев А.Г., Вебер Е.В., Воронцова Т.Н., Божкова С.А., Шубняков И.И., Тихилов Р.М. Эпидемиология эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов и перипротезной инфекции в Российской Федерации // Травматология и ортопедия России, 2021. Т. 27, № 3. C. 84-93. [Sereda A.P., Kochish A.A., Cherny A.A., Antipov A.P., Aliev A.G., Veber E.V., Vorontsova T.N., Bozhkova S.A., Shubnyakov I.I., Tikhilov R.M. Epidemiology of Hip And Knee Arthroplasty and Periprosthetic Joint Infection in Russian Federation. Travmatologiya i ortopediya Rossii = Traumatology and Orthopedics of Russia, 2021, Vol. 27, no. 3, pp. 84-93. (In Russ.)]Arbeithuber B., Hester J., Cremona M.A., Stoler N., Zaidi A., Higgins B., Anthony K., Chiaromonte F., Diaz F.J., Makova K.D. Age-related accumulation of de novo mitochondrial mutations in mammalian oocytes and somatic tissues. PLoS Biol., 2020, Vol. 18, no. 7, e3000745. doi: 10.1371/journal.pbio.3000745.Basu S., Xie X., Uhler J.P., Hedberg-Oldfors C., Milenkovic D., Baris O.R., Kimoloi S., Matic S., Stewart J.B., Larsson N.G., Wiesner R.J., Oldfors A., Gustafsson C.M., Falkenberg M., Larsson E. Accurate mapping of mitochondrial DNA deletions and duplications using deep sequencing. PLoS Genet., 2020, Vol. 16, no. 12, e1009242. doi: 10.1371/journal.pgen.1009242.Battle S.L., Puiu D.; TOPMed mtDNA Working Group; Verlouw J., Broer L., Boerwinkle E., Taylor K.D., Rotter J.I., Rich S.S., Grove M.L., Pankratz N., Fetterman J.L., Liu C., Arking D.E. A bioinformatics pipeline for estimating mitochondrial DNA copy number and heteroplasmy levels from whole genome sequencing data. NAR Genom. Bioinform., 2022, Vol. 4, no. 2, lqac034. doi: 10.1093/nargab/lqac034.Cao H., Zhou X., Xu B., Hu H., Guo J., Wang M., Li N., Jun Z. Advances in the study of mitophagy in osteoarthritis. J. Zhejiang Univ. Sci. B, 2024, Vol. 25, no. 3, pp. 197-211.Debsharma S., Pramanik S., Bindu S., Mazumder S., Das T., Pal U., Saha D., De R., Nag S., Banerjee C., Chandra Maiti N., Ghosh Z., Bandyopadhyay U. NSAID targets SIRT3 to trigger mitochondrial dysfunction and gastric cancer cell death. iScience, 2024, Vol. 27, no. 4, 109384. doi: 10.1016/j.isci.2024.109384.Del Bo R., Bordoni A., Martinelli Boneschi F., Crimi M., Sciacco M., Bresolin N., Scarlato G., Comi G.P. Evidence and age-related distribution of mtDNA D-loop point mutations in skeletal muscle from healthy subjects and mitochondrial patients. J. Neurol. Sci., 2002, Vol. 202, no. 1-2, pp. 85-91.Hjelm B.E., Rollins B., Morgan L., Sequeira A., Mamdani F., Pereira F., Damas J., Webb M.G., Weber M.D., Schatzberg A.F., Barchas J.D., Lee F.S., Akil H., Watson S.J., Myers R.M., Chao E.C., Kimonis V., Thompson P.M., Bunney W.E., Vawter M.P. Splice-Break: exploiting an RNA-seq splice junction algorithm to discover mitochondrial DNA deletion breakpoints and analyses of psychiatric disorders. Nucleic Acids Res., 2019, Vol. 47, no. 10, e59. doi: 10.1093/nar/gkz164.Lacan M., Thèves C., Amory S., Keyser C., Crubézy E., Salles J.P., Ludes B., Telmon N. Detection of the A189G mtDNA heteroplasmic mutation in relation to age in modern and ancient bones. Int. J. Legal Med., 2009, Vol. 123, no. 2, pp. 161-167.Li M., Schröder R., Ni S., Madea B., Stoneking M. Extensive tissue-related and allele-related mtDNA heteroplasmy suggests positive selection for somatic mutations. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, Vol. 112, no. 8, pp. 2491-2496.Mazumder S., Bindu S., De R., Debsharma S., Pramanik S., Bandyopadhyay U. Emerging role of mitochondrial DAMPs, aberrant mitochondrial dynamics and anomalous mitophagy in gut mucosal pathogenesis. Life Sci., 2022, Vol. 305,120753. doi: 10.1016/j.lfs.2022.120753.Mazumder S., De R., Sarkar S., Siddiqui A.A., Saha S.J., Banerjee C., Iqbal M.S., Nag S., Debsharma S., Bandyopadhyay U. Selective scavenging of intra-mitochondrial superoxide corrects diclofenac-induced mitochondrial dysfunction and gastric injury: A novel gastroprotective mechanism independent of gastric acid suppression. Biochem. Pharmacol., 2016, Vol. 121, pp. 33-51.Wachsmuth M., Hübner A., Li M., Madea B., Stoneking M. Age-related and heteroplasmy-related variation in human mtDNA copy number. PLoS Genet., 2016, Vol. 12, no. 3, e1005939. doi: 10.1371/journal.pgen.1005939.Wang Y., Michikawa Y., Mallidis C., Bai Y., Woodhouse L., Yarasheski K.E., Miller C.A., Askanas V., Engel W.K., Bhasin S., Attardi G. Muscle-specific mutations accumulate with aging in critical human mtDNA control sites for replication. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2001, Vol. 98, no. 7, pp. 4022-4027.