Отправить статью по E-mail Митохондриальное разобщение – новый элемент в патогенезе метаболического синдрома: пилотное исследование
- Авторы: Воронова С.С.1, Бограя М.М.1, Вульф М.А.1, Горбачева А.М.1, Газатова Н.Д.1, Кузнецов Г.Л.2, Литвинова Л.С.1
-
Учреждения:
- Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
- Центральная городская клиническая больница
- Выпуск: Том 28, № 2 (2025)
- Страницы: 329-336
- Раздел: КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
- Дата подачи: 01.08.2024
- Дата принятия к публикации: 06.08.2024
- Дата публикации: 16.02.2025
- URL: https://rusimmun.ru/jour/article/view/17056
- DOI: https://doi.org/10.46235/1028-7221-17056-MUA
- ID: 17056
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Главными факторами развития метаболического синдрома (МС) являются ожирение и инсулинорезистентность. У больных МС активно происходит накопление свободных жирных кислот в печени, что может приводить к нарушению гомеостаза и метаболизма гепатоцитов и, как следствие, – развитию митохондриальной дисфункции, окислительного стресса и апоптоза клеток. Митохондриальная дисфункция достаточно широко изучена в контексте патогенеза компонентов метаболического синдрома, однако процессы митохондриального разобщения до конца не ясны. Митохондриальное разобщение (МР) – процесс, который ассоциирован со снижением синтеза АТФ и активных форм кислорода (АФК) в митохондриях. Он осуществляется белками из семейства UCP (uncoupling proteins), а также ANT (АДФ/АТФ транслоказы). «Мягкое» МР необходимо для поддержания нормальной работы митохондрий, в то время как «жесткое» МР может приводить к митохондриальной дисфункции. Таким образом, целью работы явилось изучение уровня экспрессии деацетилазы SIRT1 V1, транскрипционных факторов PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ, стимулирующих липогенез и β-окисление СЖК, генов белков митохондриальных разобщителей ANT2, UCP2 в печени у больных МС.
В исследование было включено две группы: больные МС (критерии включения: ИМТ > 30 кг/м2, кроме того, наличие сахарного диабета второго типа и/или тощаковая глюкоза в крови > 5,5 ммоль/л), группа контроля (ИМТ < 30 кг/м2, отсутствие инфекционных и хронических заболеваний). Биохимический анализ показателей крови пациентов проводился на биохимическом анализаторе Furuno CA-180 (Furuno Electric Company, Япония) с использованием тест-систем DiaSys (DiaSys Diagnostic Systems, Хольцхайм, Германия). Уровни экспрессии генов интереса в биоптатах печени оценивали с помощью количественной ОТ-ПЦР с использованием SYBR Green (ЗАО «Евроген», Россия).
У больных МС установлено значимое (в сравнении с контролем) повышение уровня экспрессии гена транскрипционного фактора PPAR-γ, ассоциированное с липогенезом de novo в печени, а также увеличение экспрессии гена митохондриального разобщителя ANT2. Экспрессия других генов (SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α, UCP2), определяемых в биоптатах печени, полученных у больных МС, значимо не изменялась. Повышенная экспрессия гена ANT2 у пациентов с МС может быть связана как с компенсаторными, протекторными механизмами – активацией «мягкого» МР, так и с патологическими процессами – следствием «жесткого» МР. Необходимо проведение дополнительных исследований влияния факторов ANT2 и UCP2 на клеточный метаболизм (продукцию АТФ, АФК, развитие окислительного стресса) как непосредственно в ткани печени человека, так и на клеточных культурах. В статье впервые представлены результаты по оценке экспрессии генов митохондриальных разобщителей (ANT2, UCP2) в печени у больных МС.
Полный текст
Введение
Метаболический синдром (МС) – мультифакторное заболевание, включающее в себя множество компонентов, основными из которых являются: ожирение, сахарный диабет 2-го типа (СД2Т) или ИР, артериальная гипертензия, атеросклероз [1]. Вследствие избыточного количества свободных жирных кислот (СЖК) в периферической крови больных МС, в печени происходит активный липогенез de novo, что способствует развитию неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП) [2]. Стеатоз, при отсутствии должной терапии, может прогрессировать до стеатогепатита, который характеризуется фиброзом печени, воспалением [2]. Накопление СЖК в печени больных МС стимулирует усиленный синтез АТФ в митохондриях гепатоцитов, что влечет за собой повышение внутриклеточной концентрации активных форм кислорода (АФК). Для предотвращения окислительного стресса (ОС), в митохондриях компенсаторно активируются процессы митохондриального разобщения (МР). МР происходит во многих метаболически активных тканях организма: жировой ткани, сердечных и скелетных мышцах, иммунных клетках крови, в печени [3].
МР осуществляется через различные механизмы. Например, UCP1 и белки подсемейства АДФ/АТФ транслоказы (ANT 1-3), переносят протоны водорода из межмембранного пространства в матрикс митохондрии в присутствии СЖК, способствуя тем самым снижению протонного градиента и, следовательно, уменьшая эффективность синтеза АТФ и АФК, а также стимулируя термогенез [4, 7]. Стоит отметить, что основная функция белка ANT – перенос молекул АДФ/АТФ через митохондриальную мембрану; однако исследователями было отмечено, что ANT участвует также в МР [4]. Таким образом, белок ANT выполняет двойную функцию в митохондрии: 1) перенос молекул AДФ/AТФ; 2) перенос протонов водорода в присутствии СЖК.
Механизм осуществления МР другими белками, UCP2 и UCP3, точно неизвестен. Первоначально предполагали, что UCP2 и UCP3, подобно UCP1, являются протонофорами [8]. Однако в последних исследованиях было обнаружено, что UCP2 и UCP3 являются переносчиками С4-метаболитов цикла Кребса (оксалоацетат, малат, аспартат) [10, 13]. Другие исследователи предлагают для UCP2 совмещенную функцию: перенос протонов и перенос С4-метаболитов [12]. Тем не менее вопрос осуществления функций МР посредством UCP2 и UCP3 все еще остается открытым.
МР может быть двух типов: «мягким» и «жестким». «Мягкое» МР (от англ. mild uncoupling) необходимо для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки, особенно в условиях активного синтеза АТФ [11]. «Жесткое» разобщение возникает при избыточной активации белков-разобщителей и приводит к фатальному снижению концентрации АТФ в клетке, повышению уровня АФК, и далее – к гипоксии и ее гибели.
МР опосредует не только метаболические процессы, но и иммунные, например, МР участвует в дифференциации макрофагов [6].
Таким образом, целью работы явилась оценка уровня экспрессии генов деацетилазы SIRT1 V1, транскрипционных факторов PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ, стимулирующих липогенез и β-окисление СЖК, генов белков митохондриальных разобщителей ANT2, UCP2 в биоптатах печени, полученных у больных МС.
Материалы и методы
В исследовании приняли участие 47 пациентов (средний возраст составил 45,23 ± 8,56 года, 28 женщин и 19 мужчин), которые были разделены на две группы: 1) контрольная группа, критерии включения: ИМТ < 30 кг/м2, отсутствие хронических и инфекционных заболеваний, тощаковая глюкоза крови < 5,5 ммоль/л; 2) пациенты с МС, критерии включения: ИМТ > 30 кг/ м2, наличие СД 2 типа и/или тощаковая глюкоза в крови > 5,5 ммоль/л.
Материалом для биохимических исследований являлась кровь, полученная путем пункции локтевой вены, взятая утром натощак, в вакуумные пробирки с активатором образования сгустка для получения сыворотки. Анализ биохимических показателей крови проводился на анализаторе Furuno CA-180 (Furuno Electric Company, Япония) с использованием тест-систем DiaSys (DiaSys Diagnostic Systems, Хольцхайм, Германия).
Материалом для исследования экспрессии генов интереса (SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ, ANT2, UCP2) служили биоптаты печеночной ткани, полученные у лиц обеих групп в ходе выполнения плановых лапароскопических операций. Уровень экспрессии генов в биоматериале (SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ, ANT2, UCP2) изучали с помощью количественной ОТ-ПЦР с использованием SYBR Green (ЗАО «Евроген», Россия).
Статистическая обработка данных проводилась с помощью программного обеспечения GraphPad Prism 9.3.1. Для статистической обработки использовались критерий Шапиро–Уилка, Т-тест Стьюдента с критерием Уэлча, коэффициент корреляции Спирмена.
Результаты и обсуждение
Сравнительный анализ клинических и биохимических показателей групп, включенных в исследование, представлен в таблице 1.
Таблица 1. Клинические и биохимические показатели исследуемых групп
Table 1. Clinical and biochemical characteristics of study groups
Контрольная группа Control group n = 11 | Метаболический синдром Metabolic syndrome n = 36 | p-значение p-value | |
ИМТ, кг/м2 BMI, kg/m2 | 22,98 ± 3,96 | 47,69 ± 10,26 | 0,00011 |
Возраст, годы Age, years | 43,20 ± 7,58 | 46,84 ± 8,78 | 0,21912 |
Пол (мужчины / женщины) Sex (men / women) | 6 / 5 | 13 / 23 | 0,31213 |
Глюкоза натощак, ммоль/л Fasting glucose, mmol/L | 4,70 ± 0,47 | 7,47 ± 1,81 | 0,00011 |
Холестерин, ммоль/л Cholesterol, mmol/L | 4,660 ± 1,654 | 5,51 ± 0,99 | 0,15162 |
Триглицериды, ммоль/л Triglycerides, mmol/L | 1,07 ± 0,58 | 2,07 ± 1,13 | 0,00061 |
Липопротеины высокой плотности, ммоль/л HDL, mmol/L | 1,88 ± 0,58 | 1,26 ± 0,68 | 0,00011 |
Липопротеины низкой плотности, ммоль/л LDL, mmol/l | 2,72 ± 0,92 | 3,11 ± 0,76 | 0,24872 |
Аланинаминотрансфераза, ммоль/л Alanine aminotransferase, mmol/L | 22,40 ± 17,47 | 23,16 ± 18,04 | 0,93211 |
Аспартатаминотрансфераза, ммоль/л Aspartate aminotransferase, mmol/L | 20,09 ± 8,65 | 22,36 ± 12,34 | 0,66991 |
Примечание: 1 – анализ проведен через непарный тест Манна–Уитни, 2 – анализ проведен через непарный тест Стьюдента с критерием Уэлча, 3 – анализ проведен через точный тест Фишера.
Note. 1, analysis was carried out using an unpaired Mann–Whitney test; 2, analysis was carried out using an unpaired Student’s t-test with Welch criteria; 3, analysis was carried out using Fisher’s test.
Согласно полученным нами результатам, уровень экспрессии транскрипционного фактора PPAR-γ в печени у больных МС был повышен в 1,2 раза (p = 0,0278) в сравнении с контролем, в то время как уровень экспрессии мРНК генов SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α значимо не изменялся (p = 0,6629, p = 0,1588, p = 0,8249 соответственно) (рис. 1A).
Рисунок 1. Экспрессия генов интереса
Примечание. A – уровень экспрессии генов интереса. Статистический анализ проведен с использованием критерия Шапиро–Уилка, непарного теста Манна–Уитни, непарного Т-теста Стьюдента с критерием Уэлча. МС – метаболический синдром. Астерикс * обозначает p < 0,05. Б – корреляционный анализ. Коэффициент Спирмена, значимые корреляции обозначены * (p < 0,05).
Figure 1. Expression of genes of interest
Note. A, levels of gene expression. Statistical analysis was carried out using the Shapiro–Wilk test, the Mann–Whitney U test, and the unpaired Student’s t-test with Welch’s correction. MetS – metabolic syndrome. Asterix * identify p < 0.05. B, correlation matrix. Statistical analysis was carried out using Spearman’s coefficient, significant correlations are shown * (p < 0.05).
Уровень экспрессии гена митохондриального разобщителя ANT2 был значимо повышен в биоптатах печени, полученных у больных МС (p = 0,0197), тогда как экспрессия гена UCP2 значимо не изменялась (p = 0,07) (рис. 1A).
У объединенных групп (контроль и МС) были выявлены положительные корреляции: SIRT1 V1 (r = 0,411, p = 0,033), PPAR-α (r = 0,382, p = 0,034), PGC-1α (r = 0,599, p = 0,000089) c UCP2, а также: PPAR-γ (r = 0,306, p = 0,049), PGC-1α (r = 0,503, p = 0,002) c ANT2 (рис. 1Б). Кроме того, была выявлена положительная взаимосвязь между уровнем глюкозы натощак и экспрессией ANT2 (r = 0,469, p = 0,001) (рис. 1Б).
Повышение экспрессии мРНК генов PPAR-γ, согласно данным литературы, ассоциировано с липогенезом de novo в печени [15], в то время как экспрессия генов SIRT1 V1 и PPAR-α взаимосвязана с активацией процессов β-окисления жирных кислот, а также митохондриальным биогенезом [14, 15]. Согласно полученным результатам, мы предполагаем, что у больных МС в печени происходит более активное накопление СЖК, тогда как процессы β-окисления жирных кислот, а также активация систем антиоксидантной защиты, сопоставимы с контролем. Отсутствие значимых изменений уровня экспрессии гена UCP2 у больных МС может быть ассоциировано с отсутствием и/или низкой активацией транскрипционных факторов PGC-1α, PPAR-α, что теоретически может приводить к развитию окислительного стресса.
В то же время изменение экспрессии данных генов необходимо оценить на расширенной выборке.
Уровень экспрессии гена ANT2 может быть положительно взаимосвязан с транскрипционным фактором PPAR-γ, поскольку на данной выборке нам удалось обнаружить только достоверную корреляцию слабой силы. Тем не менее повышенная экспрессия гена ANT2 в биоптатах печени больных МС может быть связана как с компенсаторными, протекторными механизмами – активацией «мягкого» МР, так и с патологическими процессами – следствием «жесткого» МР.
Положительная корреляция между уровнем глюкозы в крови и экспрессией гена ANT2 в печени, возможно, ассоциирована с патологической ролью данного белка в печени у больных МС.
На мышиных моделях значения экспрессии гена Ant2 в печени отличались, в зависимости от модели эксперимента. Так, нокаутные по Ant2 мыши были устойчивы к развитию стеатоза печени, ожирению и резистентности к инсулину при диете, богатой жирами в сравнении с диким типом [5]. В другом исследовании на крысиных моделях, а также в условиях in vitro на культуре печени (hepa1c1c7), было установлено, что Ant2 обладает гепатопротекторным действием. В связи с этим, поддержание нормального уровня экспрессии этого гена может быть важным фактором повышения устойчивости к старению и окислительным стрессу гепатоцитов [9].
Заключение
Таким образом, необходимы дальнейшие исследования влияния митохондриальных разобщителей – ANT2, UCP2 на клеточный метаболизм как непосредственно в ткани печени человека, так и на клеточных культурах. В данной статье впервые представлены результаты экспрессии генов митохондриальных разобщителей (ANT2, UCP2) в печени у пациентов с МС.
Одобрение этического комитета
Исследование проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией Всемирной медицинской ассоциации (2000) и Протоколом к Конвенции о правах человека и биомедицине (1999). Исследование одобрено локальным этическим комитетом Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, протокол БФУ им. И. Канта от 21 июня 2022 г. Все участники предоставили подписанное информированное согласие.
Об авторах
С. С. Воронова
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: mbograya@mail.ru
студентка
Россия, КалининградМ. М. Бограя
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Автор, ответственный за переписку.
Email: mbograya@mail.ru
младший научный сотрудник Центра иммунологии и клеточных биотехнологий
Россия, КалининградМ. А. Вульф
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: mbograya@mail.ru
к.б.н., старший научный сотрудник Центра иммунологии и клеточных биотехнологий
Россия, КалининградА. М. Горбачева
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: mbograya@mail.ru
студентка
Россия, КалининградН. Д. Газатова
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: mbograya@mail.ru
к.б.н., заведующая лабораторией экспериментальных препаратов крови Центра иммунологии и клеточных биотехнологий
Россия, КалининградГ. Л. Кузнецов
Центральная городская клиническая больница
Email: mbograya@mail.ru
к.м.н., заместитель главного врача по хирургии
Россия, КалининградЛ. С. Литвинова
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: mbograya@mail.ru
д.м.н., доцент, директор Центра иммунологии и клеточных биотехнологий
Россия, КалининградСписок литературы
- Литвинова Л.С., Вульф М.А., Шунькина Д.А., Комар А.А., Тодосенко Н.М., Затолокин П.А., Миронюк Н.И., Газатова Н.Д., Кириенкова Е.В. Патофизиология обмена веществ: Учебно-методическое пособие. Калининград: БФУ им. И. Канта, 2021. 111 с. [Litvinova L.S. Vulf M.A., Shunkina D.A., Komar A.A., Todosenko N.M., Zatolkin P.A., Mironuk N.I., Gazatova N.D., Kirienkova E.V. Pathophysiology of metabolism: Educational and Methodological Guide]. IKBFU, Kaliningrad, 2021. 111 p.
- Asrih M., Jornayvaz F. R. Metabolic syndrome and nonalcoholic fatty liver disease: Is insulin resistance the link? Mol. Cell. Endocrinol., 2015, Vol. 418, no. 1, pp. 55-65.
- Azzu V., Jastroch M., Divakaruni A.S., Brand M.D. The regulation and turnover of mitochondrial uncoupling proteins. BBA Bioenergetics, 2010, Vol. 6, no. 1797, pp. 785-791.
- Bertholet A.M., Chouchani E.T., Kazak L., Angelin A., Fedorenko A., Long J.Z., Vidoni S., Garrity R., Cho J., Terada N., Wallace D.C., Spiegelman B.M., Kirichok Y. H+ transport is an integral function of the mitochondrial ADP/ATP carrier. Nature, 2019, Vol. 7766, no. 571, pp. 515-520.
- Cho J., Zhang Y., Park S.-Y., Joseph A.-M., Han C., Park H.-J., Kalavalapalli S., Chun S.-K., Morgan D., Kim J.S., Someya S., Mathews C.E., Lee Y.J., Wohlgemuth S.E., Sunny N.E., Lee H.-Y., Choi C.S., Shiratsuchi T., Oh S.P., Terada N. Mitochondrial ATP transporter depletion protects mice against liver steatosis and insulin resistance. Nat. Commun., 2017, Vol. 8, 14477. doi: 10.1038/ncomms14477.
- Emre Y., Nübel T. Uncoupling protein UCP2: When mitochondrial activity meets immunity. FEBS Lett., 2010, Vol. 8, no. 584, pp. 1437-1442.
- Fedorenko A., Lishko P.V., Kirichok Y. Mechanism of fatty-acid-dependent UCP1 uncoupling in brown fat mitochondria. Cell, 2012, Vol. 2, no. 151, pp. 400-413.
- Jabůrek M., Varecha M., Gimeno R.E., Dembski M., Jezek P., Zhang M., Burn P., Tartaglia L.A., Garlid K.D. Transport function and regulation of mitochondrial uncoupling proteins 2 and 3. JBC, 1999, Vol. 37, no. 274, pp. 26003-26007.
- Kim H. S., Jeong H.W., Son T.G., Park H.R., Ji S.T., Pokharel Y.R., Jeon H.M., Kang K.W., Kang H.S., Chang S.C., Kim H.S., Chung H.Y., Lee J.W. The hepatoprotective effects of adenine nucleotide translocator-2 against aging and oxidative stress. Free Radic. Res., 2012, Vol. 1, no. 46, pp. 21-29.
- Kreiter J., Tyschuk T., Pohl E. E. Uncoupling Protein 3 catalyzes the exchange of C4 metabolites similar to UCP2. Biomolecules, 2023, Vol. 1, no. 14, 21. doi: 10.3390/biom14010021
- Mookerjee S.A., Divakaruni A.S., Jastroch M., Brand M.D. Mitochondrial uncoupling and lifespan. Mech. Ageing Dev., 2010, Vol. 7-8, no. 131, pp. 463-472.
- Nesci S., Rubattu S. UCP2, a member of the mitochondrial uncoupling proteins: an overview from physiological to pathological roles. Biomedicines, 2024, Vol. 6, no. 12, 1307. doi: 10.3390/biomedicines12061307.
- Vozza A., Parisi G., De Leonardis F., Lasorsa F.M., Castegna A., Amorese D., Marmo R., Calcagnile V.M., Palmieri L., Ricquier D., Paradies E., Scarcia P., Palmieri F., Bouillaud F., Fiermonte G. UCP2 transports C4 metabolites out of mitochondria, regulating glucose and glutamine oxidation. PNAS, 2014, Vol. 3, no. 111, pp. 960-965.
- Wang M., Zhao J., Chen J., Long T., Xu M., Luo T., Che Q., He Y., Xu D. The role of sirtuin1 in liver injury: molecular mechanisms and novel therapeutic target. PeerJ, 2024, Vol. 12, e17094. doi: 10.7717/peerj.17094.
- Wang Y.-X. PPARs: diverse regulators in energy metabolism and metabolic diseases. Cell Res., 2010, Vol. 2, no. 20, pp. 124-137.
Дополнительные файлы
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).