Из-за старения населения Земли болезнь Альцгеймера становится важной социально-экономической проблемой. Однако до сих пор непонятны ее причины (патогенез). Новое исследование ученых лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ с коллегами посвящено изучению пептида бета-амилоида, участвующего в развитии этого заболевания. Тому, как он выводит из строя митохондрии — «энергетические станции» клетки. Работа опубликована в журнале «Биохимия».
Средняя продолжительность жизни на планете неуклонно растет, и это не может не радовать. Однако растет и число пожилых людей, а значит и случаев возрастных заболеваний. Многие из них не имеют адекватной терапии: несмотря на огромные усилия ученых, медленно разрушающие мозг нейродегенерации невозможно остановить, возможно только симптоматическое лечение. Остаются непонятными и первопричины, молекулярные механизмы развития болезней.
Самой распространенной, социально значимой нейродегенерацией является болезнь Альцгеймера. Она постепенно и неуклонно нарушает краткосрочную память и мышление, а значит пациентам нужно все больше и больше ухода. Это ложится тяжелым бременем на семьи пациентов и систему здравоохранения. Статистика неутешительна: если в 2019 году в мире насчитывалось около 55 млн заболевших, то к 2050-му их число может вырасти до 139 млн. В основном болезнь Альцгеймера затрагивает пожилых: в возрасте 65–74 лет заболевает каждый 20-й, после 85 лет с недугом сталкивается уже каждый третий.
После начала пандемии выяснилось, что COVID-19 повышает риск развития болезни Альцгеймера. Оказалось, что вирус нарушает молекулярные и иммунные механизмы, которые задействованы и в разрушении мозга при болезни Альцгеймера (но не при болезни Паркинсона). Поэтому изучение причин развития болезни Альцгеймера приобрело новую актуальность. В картине ее патогенеза остается много белых пятен, но кое-что имеет несомненное значение. Например, нарушения работы митохондрий — одна из главных причин развития болезни.
Небольшой мембранный белок (точнее пептид) бета-амилоид (Aβ) обычно находится на мембране клеток. Однако он также способен проникать в митохондрии, а именно встраиваться в их мембраны. Это приводит к серьезным последствиям: нарушается транспорт необходимых белков в митохондрии и резко возрастает образование разрушительных для клетки активных форм кислорода.
Ученые лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ с коллегами из Курчатовского института, Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, МГУ им. М. В. Ломоносова, Московского Политеха, ГНЦ ИБХ РАН и РНИМУ им. Н. И. Пирогова показали влияние пептида бета-амилоида на митохондрии. Исследователи выделили их из клеток и работали с препаратом чистых органелл. Это позволило исключить из рассмотрения влияние других клеточных процессов и сфокусироваться на влиянии пептида бета-амилоида на работу митохондрий.
Для аккуратных измерений ученые получили пептид бета-амилоида в мономерной форме, проведя дезагрегацию (разборку) амилоидных фибрилл. Такие пептид образует в организме и in vitro. Далее бета-амилоид добавляли к клеткам нейробластомы человека, служащим моделью патогенеза болезни Альцгеймера. Использовали низкие концентрации, которые близки к содержанию пептида бета-амилоида в организме. После выделяли из клеток митохондрии, контролировали концентрацию эндогенных АТФ и АДФ, добавляли АДФ и субстраты и ингибиторы различных комплексов окислительного фосфорилирования митохондрий.
Синтез АТФ в результате активации то одного, то другого комплекса окислительного фосфорилирования митохондрий отслеживали с помощью высокочувствительного метода (с использованием люциферазы).Таким образом, для изучения влияния Aβ на митохондрии был разработан метод с использованием термостабильной мутантной люциферазы светляков L. mingrelica, полученной ранее на кафедре химической энзимологии МГУ им. М. В. Ломоносова. Оказалось, что под действием бета-амилоида падает как скорость синтеза АТФ, так и его общая концентрация. Это говорит о нарушении состояния митохондрий, которые хуже выполняют свою главную «работу».
Высокая чувствительность метода позволила измерить отдельно влияние растворителя, используемого для приготовления мономерной формы пептида бета-амилоида. Также высокая чувствительность метода позволила показать влияние низких концентраций пептида бета-амилоида в мономерной форме добавляемого к клеткам на синтез АТФ митохондриями — их основную функцию. При этом удалось отдельно измерить влияние на Комплексы I, II и IV дыхательной цепи. Оказалось, что амилоид скорее всего действует не на какой-то один белок, обеспечивающий клеточное дыхание, а на многие его компоненты одновременно.
В чем секрет небольшой молекулы Aβ, воздействующей на многие процессы в организме, в частности на митохондрии? Ученые высказали предположение, что Aβ встраивается в липидную оболочку (мембрану) митохондрии, меняя ее физические свойства и способность пропускать ионы, то есть меняет ее диэлектрические свойства. Кроме того, молекулы пептида бета-амилоида могут «засорять» находящиеся на мембране транспортные каналы, обеспечивающие обмен веществ между митохондрией и остальной клеткой. При этом даже небольшое влияние Aβ на митохондриальные мембраны может оказаться критическим не только для переноса веществ в митохондрии, но и оказывать системные эффекты.
Суммарная площадь поверхности всех внутренних митохондриальных мембран в клетках человека можно оценить как 14 тыс. м2. Это размер двух стандартных футбольных полей. С помощью белков системы окислительного фосфорилирования митохондрий, находящихся на внутренних мембранах митохондрий, синтезируется более 160 кг АТФ в день. Поэтому малейшие нарушения работы работы митохондрий приведут к заметным нарушениям.
«Мы планируем продолжать подобные эксперименты, меняя концентрации белка, типы клеток и изучая работу различных молекулярных комплексов. Это дает вклад в понимание патогенеза ранних стадий развития болезни Альцгеймера на молекулярном уровне, без чего невозможна эффективная терапия. К сожалению, экспериментальных работ в этой области недостаточно, их число не превышает число обзорных публикаций, упоминающих результаты экспериментов без внимания к важным деталям»,— рассказал Иван Охрименко, заведующий лабораторией старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ.
Научная статья: Zagryadskaya, Y.A., Nesterov, S.V., Mitkevich, V.A. et al. Beta-Amyloid Suppresses Mitochondrial ATP Production in Human Neuroblastoma Cells. Biochemistry Moscow 91, 230–244 (2026). DOI: https://doi.org/10.1134/S0006297925602060
