30 лет научного направления в МарГУ: изучение энергетических функций митохондрий в норме и патологии

В 2022 году МарГУ отмечает 30-летие одного из самых плодотворных научных направлений, связанных с изучением функционирования «силовых станций» живых клеток – митохондрий. Пройдя трудные для страны 90-е годы XX века, направление, требующее сложнейшей приборной базы и дорогостоящих реактивов, не только не затерялось благодаря энтузиазму ученых МарГУ, но и окрепло, став настоящей кузницей кадров для отечественной биоэнергетики и мембранологии.

На фото сотрудники МарГУ – выходцы научной школы «молекулярной биоэнергетики»: (слева-направо) Краснощекова О.Э. (ст. преподаватель), Семенова А.А. (к.б.н., ст. преподаватель), Степанова А.Е. (к.б.н., ст. преподаватель), Шарапов В.А. (аспирант), Дубинин М.В. (к.б.н., доцент), Самарцев В.Н. (д.б.н., профессор, руководитель школы), Белослудцев К.Н. (д.б.н., профессор, проректор по инновационной деятельности), Попова О.В. (к.б.н., доцент), Ведерников А.А. (к.б.н., доцент), Павлова Е.К. (аспирант).

В Марийском государственном университете, начиная с 1992 г, проводятся фундаментальные исследования, направленные на выяснение механизмов и путей регуляции энергетических функций митохондрий животных в норме и при моделировании патологических состояний. Проводимые в течение 30 лет исследования можно условно разделить на 3 этапа. Ниже изложены наиболее важные научные результаты, полученные за 30 лет.

Основные усилия на первом этапе исследований (1992 – 1999 гг) были направлены на изучение механизмов протонофорного разобщающего действия жирных кислот. На этом этапе исследования в МарГУ проводились на базе НИЛ «Биомониторинг» и кафедры анатомии и физиологии человека и животных (зав. кафедрой к.б.н. И.П. Зелди). В этот сложный для всей нашей страны исторический период существенную помощь в организации исследований оказали к.б.н. Зелди И.П. и к.м.н. Смирнов А.В.

В 1995 – 1998 гг. Самарцевым В.Н. совместно с сотрудниками отдела биоэнергетики НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ: академиком В.П. Скулачевым, д.б.н. Е.Н. Моховой и к.б.н. О.В. Марковой впервые установлено, что в протонофорном разобщающем действии монокарбоновых жирных кислот в митохондриях печени и сердца крыс наряду с ADP/ATP-антипортером принимает участие белок внутренней мембраны митохондрий аспартат/глутаматный антипортер. Это открытие было подтверждено в лабораториях Войчака (Польша) и Шонфельда (Германия). Наш приоритет в этом научном направлении признан. По результатам исследований в 1999 г. Самарцевым В.Н. под руководством академика В.П. Скулачева и д.б.н. Е.Н. Моховой защищена докторская диссертация по специальности «биохимия».

На втором этапе исследований (2000 – 2011 гг) основное внимание было уделено изучению путей регуляции протонофорного разобщающего действия жирных кислот в митохондриях животных разных видов и различного возраста. На этом этапе исследования в МарГУ проводились первоначально на базе кафедры биохимии и молекулярной биологии, в дальнейшем в лаборатории молекулярной биоэнергетики. В исследованиях под руководством профессора Самарцева В.Н. принимали участие, преподаватели кафедры Пайдыганов А.П., Кожина (Попова) О.В., аспиранты Марчик Е.И., Рыбакова С.Р., Шамагулова Л.В., студенты биолого-химического факультета МарГУ Белослудцев К.Н. и др.

В 2002 г. Самарцевым В.Н. и Белослудцевым К.Н. была сформулирована оригинальная гипотеза о том, что участвующие в разобщении белки-переносчики внутренней мембраны митохондрий – ADP/ATP- и аспартат/глутаматный антипортеры функционируют как единый разобщающий комплекс с общим пулом жирных кислот и одним из путей регуляции разобщающего действия жирных кислот может быть их перераспределение между этими переносчиками.

В 2003 – 2004 гг. Самарцевым В.Н. совместно с сотрудниками Института эволюционной физиологии и биохимии РАН им. И.М. Сеченова РАН д.б.н. Савиной М.В. и аспирантом Емельяновой Л.В. (выпускница МарГУ) впервые были обнаружены сезонные различия в активности индуцированного жирными кислотами свободного окисления в митохондриях печени лягушки и миноги речной: в апреле активность свободного окисления больше, чем в период метаболической депрессии в январе. Также в 2003 г. Самарцевым В.Н. совместно с преподавателем кафедры анатомии и физиологии человека и животных Пайдыгановым А.П. был проведен термодинамический анализ при изучении путей свободного дыхания в митохондриях печени в отсутствии (состояние 4) и в присутствии жирных кислот. Было установлено, что без жирных кислот (в состоянии 4) свободное дыхание митохондрий обусловлено пассивной диффузией протонов через каналы мембраны митохондрий, и этот процесс не зависит от текучести мембраны; в то время как протонофорное разобщающее действие жирных кислот зависит от текучести мембраны митохондрий. Было также предположено, что в разобщающем действии жирных кислот в митохондриях печени принимает участие переносчик фосфата. Эта гипотеза получила подтверждение в наших последующих исследованиях.

В 2004 г. Самарцевым В.Н. при участии Пайдыганова А.П. впервые показано, что протонофорная разобщающая активность пальмитиновой кислоты в митохондриях печени млекопитающих уменьшается при увеличении массы тела различных видов животных: мышь, крыса, морская свинка, кролик. Был сделан вывод о том, что изменение протонофорной разобщающей активности жирных кислот в митохондриях печени различных млекопитающих подчиняется такой же закономерности, как и зависимость терморегуляторной эффективности метаболизма от массы тела гомойотермных животных. В дальнейшем совместно с Кожиной (Поповой) О.В. было установлено, что активность свободного дыхания в митохондриях печени крыс зависит от возраста животных: максимальна в митохондриях крысят месячного возраста и снижается по мере их взросления, достигая минимальных значений в митохондриях животных старческого возраста.

В течение 2007 – 2010 гг. Кожиной (Поповой) О.В. под руководством Самарцева В.Н. было установлено, что при окислительном стрессе, вызванном как эндогенными процессами при старении животных, так и действием окисляющих агентов, в митохондриях печени белки-переносчики внутренней мембраны АDР/АТР- и аспартат/глутаматный антипортеры приобретают способность с более высокой скоростью переносить анионы жирных кислот с внутреннего монослоя мембраны на наружный.

В 2011 г. Самарцевым В.Н. совместно с аспирантом Марчиком Е.И. было установлено, что свободные монокарбоновые жирные кислоты являются не только индукторами разобщения окислительного фосфорилирования при участии белков-переносчиков внутренней мембраны митохондрий АDР/АТР- и аспартат/глутаматного антипортеров, но и регуляторами этого процесса.

На этом этапе исследований также были получены данные, свидетельствующие о том, что протонофорное разобщающее действие пальмитиновой кислоты в митохондриях печени обусловлено, помимо возвращения протонов в матрикс при участии ADP/АТР- и аспартат/глутаматного антипортеров, еще и активацией циклоспорин А-чувствительного транспорта электронов по дыхательной цепи без снижения Δψ. Потоки ионов через внутреннюю мембрану митохондрий могут служить фактором регуляции протонофорной разобщающей активности пальмитиновой кислоты при участии ADP/ATP антипортера, аспартат/глутаматного антипортера и системы циклоспорин А-чувствительного транспорта электронов. На этом этапе исследований под руководством проф. Самарцева В.Н. защитили кандидатские диссертации по специальности «Биохимия»: А.П. Пайдыганов (2004 г.), О.В. Кожина (Попова) (2007 г.) и Е.И. Марчик (2011 г.).

Характерной особенностью третьего этапа исследований (с 2012 г. по настоящее время) является освоение новых направлений научных исследований лаборатории: 1) изучение влияния продуктов внутриклеточного окисления свободных жирных кислот: ω-гидроксикарбоновых и α,ω-дикарбоновых кислот на энергетику митохондрий; 2) выяснение механизмов сигнализации в эукариотических клетках одним из ключевых сигнальных агентов – свободного Са 2+ ; 3) исследование роли митохондрий в развитии различных патологических процессов и болезней (гипоксия, сахарный диабет I и II типа, мышечная дистрофия Дюшенна и др.). На этом этапе исследования в МарГУ проводятся на базе кафедры лаборатории молекулярной биоэнергетики при кафедре биохимии клеточной биологии и микробиологии. В исследованиях под руководством профессора Самарцева В.Н. принимали участие сотрудники и аспиранты кафедры: Рыбакова С.Р., Адакеева С.И., Дубинин М.В., Ведерников А.А., Хорошавина Е.И., Семенова А.А., Степанова А.Е. На этом этапе исследований в кооперации с сотрудниками с МарГУ принимали участие сотрудники других научных организаций России: Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Института биофизики клетки РАН, Казанского федерального университета, Института нефтехимии и катализа РАН и др.

Хорошо известно, что одним из путей метаболизма монокарбоновых жирных кислот у млекопитающих и человека является их ω-окисление, происходящее, главным образом, в клетках печени и почек и приводящее к образованию соответствующих ω-гидроксикарбоновых и α,ω-дикарбоновых кислот. Путь ω-окисления значительно усиливается при некоторых патологических состояниях, сопровождающихся увеличением содержания свободных монокарбоновых жирных кислот (ожирение, голодание, сахарный диабет, неалкогольная жировая болезнь печени и др.), а также при различных нарушениях их метаболизма.

Ещё в 1999 г сотрудником НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ Марковой О.В. при участии Самарцева В.Н. было установлено, что одна из дикарбоновых жирных кислот α,ω-дикарбоновые жирные кислот – α,ω-тетрадекандикарбоновая кислота (ТДК) в отличие от монокарбоновых жирных кислот стимулирует дыхание митохондрий в состоянии 4 без снижения мембранного потенциала. Однако механизм такого действия α,ω-дикарбоновых жирных кислот долгое время оставался неизвестным. Только в 2013 г. под руководством Самарцева В.Н. аспирантами Рыбаковой С.Р., Дубининым М.В. и Адакеевой С.И. были получены данные, позволившие внести существенный вклад в плане выяснения механизма стимуляции свободного дыхания α,ω-дикарбоновыми жирными кислотами. Дальнейшие исследования по выяснению механизма действия α,ω-дикарбоновых жирных кислот были проведены под руководством Самарцева В.Н. аспирантом Семеновой А.А. при участии к.б.н. Дубинина М.В. в 2019 – 2022 гг. Установлено, что одна из α,ω-дикарбоновых жирных кислот – α,ω-гексадекандикарбоновая (ГДК) стимулирует свободное дыхание митохондрий печени путем внутреннего разобщения на уровне bc 1 комплекса дыхательной цепи митохондрий (десопрягающее действие). Также установлено, что ГДК эффективно ингибирует в митохондриях генерацию пероксида водорода, т.е. обладает антиоксидантным действием.

Наряду с этим Дубининым М.В. было показано, что длинноцепочечные α,ω-дикарбоновые и ω-гидроксикарбоновые кислоты в присутствии ионов кальция способны индуцировать неспецифическую проницаемость биологических мембран и в частности внутренней мембраны митохондрий. Было предположено, что такой механизм может способствовать гибели клеток при патологиях липидного обмена.

С 2019 года членами научной школы МарГУ активно изучаются механизмы и пути регуляции функциональной активности митохондрий при моделировании различных заболеваний у животных. Под руководством грантодержателей Российского научного фонда Белослудцева К.Н. и Дубинина М.В. установлено, что развитие гипоксии, сахарного диабета I и II типа, а также мышечной дистрофии Дюшенна сопровождается существенной дисфункцией митохондрий, снижением эффективности окислительного фосфорилирования, дисрегуляцией гомеостаза ионов кальция в митохондриях, развитием окислительного стресса. Предположено, что такие изменения могут оказывать существенное влияние на развитие указанных патологий, способствуя, с одной стороны адаптации животных, с другой стороны, напротив, благоприятствуя развитию деструктивных процессов. За последние годы получены значительные результаты, связанные с разработкой подходов и методов, направленных на коррекцию митохондриальной дисфункции при указанных выше патологиях. Установлено, что улучшение работы этих важных внутриклеточных органелл способствует облегчению течения сахарного диабета и миодистрофии Дюшенна и в перспективе может быть использовано в терапии этих патологий.

Без всякого сомнения на данный момент митохондриальная тематика любой направленности начинает превалировать во всей биологической науке, и доказательством этого является экспоненциальный рост публикаций, где ключевым словом служит «митохондрия» (см. базу данных PubMed, более 240 тыс. ссылок на момент подачи работы), причем в митохондриальную науку перенаправилось великое множество других отраслей биологии, в то время как в недавнем прошлом просто превалировал биоэнергетический аспект изучения функционирования митохондрий. Этот количественный рост числа исследователей митохондриальной деятельности, с одной стороны, стал положительным фактом, а с другой привел к тому, что в эту науку пришли исследователи, не имеющие базового, глубокого образования в митохондриологии, в частности, в биоэнергетике, что заставляет порой усомниться в качестве современной научной выходящей продукции. Тем более важно сохранение классической митохондриальной школы, на специалистов которой в мире имеется большой запрос. Это, по имеющейся практике, приводит к генерации среди классических специалистов таких фактов, к которым очень трудно придраться, во-первых, потому что они обоснованы со всех научных сторон, включая идеологию и методологию, а, во-вторых, потому что они продиктованы не однобоким (скажем, только молекулярно-биологическим) подходом, а всесторонним рассмотрением проблем митохондриологии, учитывая базовые и универсальные знания высокого качества молекулярных биологов, клеточных биологов, физиологов, иммунологов и других специалистов, которые находятся в составе коллектива проекта.

Отдавая отчет о постепенной утрате классической митохондриальной школы по всему миру, включая и нашу страну, отрадно отметить, что в МарГУ поддерживаются традиции «старых» классиков биоэнергетики, а также внедряются новые направления исследований в этой области, что позволяет верить в успешное будущее отечественной митохондриологии.