Биологи выяснили, что улучшить состояние клеток, страдающих от избытка глюкозы, можно, заблокировав транспортер VDAC1 во внешней мембране митохондрий — «энергетических станций» клеток. VDAC1 обеспечивает обмен веществ между митохондриями и цитоплазмой, подобно то открывающимся, то закрывающимся воротам. Количество этих белков в некоторых тканях значительно возрастает при сахарном диабете: это приводит к окислительному стрессу и гибели клеток. Авторы предложили уменьшать число и активность транспортеров с помощью технологии CRISPR/Cas9 и молекул-блокаторов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Antioxidants.
Уровень глюкозы в крови — основной молекулы, из которой наш организм извлекает энергию, — в норме строго контролируется. Сразу после приема пищи он возрастает, после чего довольно быстро (в течение 3-4 часов) снижается до исходного. Однако при нарушении обмена веществ, например сахарном диабете, концентрация глюкозы постоянно остается высокой, и это состояние называют гипергликемией. Она негативно сказывается на многих органах, увеличивая риск сердечно-сосудистых заболеваний, поражения нервов, разрушения костей и проблем со зрением. Этот эффект связывают с тем, что избыток глюкозы приводит к нарушению окислительно-восстановительных процессов в клетках из-за повреждения митохондрий — «энергетических станций» клетки.
Между митохондриями и всей остальной клеткой происходит постоянный обмен питательными веществами и сигнальными молекулами, который обеспечивают «встроенные» в мембрану митохондрий белки-транспортеры семейства VDAC. При сахарном диабете в некоторых органах и тканях их число увеличивается, и это приводит к тому, что в клетку из митохондрии в избыточном количестве начинают поступать активные формы кислорода — молекулы, в высоких концентрациях повреждающие мембраны и ДНК, — а также вещества, стимулирующие программируемую клеточную гибель. Поэтому ученые предполагают, что, частично заблокировав работу белков VDAC1, удастся бороться с негативными последствиями гипергликемии.
Ученые из Марийского государственного университета (Йошкар-Ола) с коллегами проверили эту гипотезу. Авторы использовали в экспериментах культуры эндотелиоцитов мышей — клеток, выстилающих стенки сосудов, — а также фибробластов человека — клеток соединительной ткани.
Исследователи протестировали два подхода, позволяющих добиться уменьшения уровня или активности интересующего белка в клетках. В первом случае биологи с помощью технологии геномного редактирования CRISPR/Cas9 «выключили» ген, кодирующий белок VDAC1. В результате в полученных клетках осталось только 10% белка от нормы. Во втором случае клеточные культуры просто обработали молекулой-ингибитором, связывающейся с белковыми каналами VDAC1 и блокирующей их. Затем все клетки помещали на 36 часов в раствор глюкозы для создания условий гипергликемии. В качестве контроля использовались культуры, в которых уровень VDAC1 не изменяли.
Ученые сравнили состояние клеток и работу митохондрий в каждом случае, подкрашивая интересующие структуры и молекулы флуоресцентными («светящимися») красителями. Оказалось, что митохондрии со сниженным количеством каналов VDAC1 производили почти в полтора раза меньше активных форм кислорода по сравнению с контрольной группой, что пропорционально уменьшало негативное влияние на клетки и риск их гибели от окислительного стресса.
Кроме того, исследование показало, что при гипергликемии в клетках снижается активность генов, участвующих в увеличении количества митохондрий. Это может привести к нехватке энергии, необходимой для нормальной работы клеток. В случаях, когда ген VDAC1 был заблокирован с помощью технологии CRISPR/Cas9, этот негативный эффект пропадал.
«Исследователи давно бьются над нормализацией работы митохондрий при сахарном диабете, предполагая, что это важный подход для борьбы с последствиями этой патологии. Снизив количество или активность транспортеров VDAC1 в мембране митохондрий, действительно можно добиться улучшения состояния клеток при гипергликемии. Потенциально наши результаты могут лечь в основу создания новых лекарственных препаратов для терапии диабета», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Константин Белослудцев, доктор биологических наук, проректор по инновационной деятельности Марийского государственного университета.
В дальнейшем авторы планируют протестировать другие способы блокировки белков VDAC1, чтобы понять, какой подход позволит наиболее эффективно бороться с последствиями гипергликемии.
В исследовании также принимали участие ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва), Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), Института биофизики клетки РАН (Пущино) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва).