Генетика. T. 59, Номер 11, 2023

  1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Генетика
  4. T. 59, № 11, 2023

Генетика, 2023, T. 59, № 11, стр. 1313-1318

Характеристика спектра нуклеотидных замен митохондриальной ДНК в популяциях человека в условиях высокогорья

Б. А. Малярчук 1, *

1 Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наук
685000 Магадан, Россия

* E-mail: malyarchuk@ibpn.ru

Поступила в редакцию 29.05.2023
После доработки 14.06.2023
Принята к публикации 29.06.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

С помощью филогенетического анализа нуклеотидных последовательностей целых митохондриальных геномов (мтДНК) реконструированы спектры генеративных нуклеотидных замен (по L-цепи мтДНК) в высокогорных популяциях Памира и Тибета в сравнении с региональными группами коренного населения Западной Азии, Северо-Восточной и Южной Сибири. Различий в распределении частот нуклеотидных замен в спектрах мтДНК в зависимости от высоты проживания популяций не обнаружено. Во всех спектрах мтДНК преобладают пиримидиновые транзиции, а из них – замены T → C. Вторыми по частоте в большинстве региональных групп следуют замены A → G, в памирской и северо-восточноазиатской группах – замены G → A. Из трансверсий во всех исследованных группах населения преобладают замены C → A, кроме тибетской, где чаще замены A → C. Отсутствие различий в распределении мутаций мтДНК у населения высокогорных и не-горных районов свидетельствуют о том, что структура спектров нуклеотидных замен мтДНК в популяциях человека не зависит от интенсивности окислительного стресса в митохондриях.

Ключевые слова: митохондриальный геном, спектр нуклеотидных замен, генеративные мутации, популяции человека, гипоксия.

Митохондриальный геном (мтДНК) человека кодирует основные белковые субъединицы системы окислительного фосфорилирования митохондрий и имеет, таким образом, важнейшее значение в обеспечении энергетических потребностей клеток. В митохондриях проходят интенсивные окислительные процессы, связанные с перекисным окислением липидов и белков, реакции карбонилирования и окисления ДНК активными формами кислорода (АФК). Последние включают в себя чрезвычайно реакционно-способные ионы кислорода, свободные радикалы и перекиси. Установлено, что продукция АФК существенно возрастает в условиях гипоксии [1]. Несмотря на меньшую доступность кислорода при гипоксии, митохондрии демонстрируют более высокую скорость генерирования супероксида своей электронно-транспортной системой [2–4].

Продукция АФК при гипоксии настолько высока, что для предотвращения развития связанных с гипоксией патологий требуется компенсаторная активация системы антиоксидантных ферментов [5]. Гипоксия вызывает также изменения в морфологии митохондрий, которые способствуют повышению их устойчивости к метаболическому стрессу [6]. Между тем клеточный ответ на гипоксию направлен на снижение окислительного метаболизма в пользу анаэробного производства АТФ, и одновременно с этим клетки при гипоксии активизируют защитные механизмы для предотвращения окислительного стресса, повреждения митохондрий и клеток [3]. Таким образом, предполагается, что митохондрии играют важную роль в сигнализации (посредством продукции АФК) о состоянии гипоксии, что способствует формированию цепей обратной связи, необходимых для поддержания клеточного окислительно-восстановительного гомеостаза [4].

Широко распространено мнение о том, что молекулы ДНК в митохондриях подвергаются воздействию активных форм кислорода, и поэтому в зависимости от интенсивности аэробного метаболизма можно ожидать изменений мутационных спектров мтДНК [7–9]. Если предположить, что основным источником повреждений ДНК в митохондриях является окислительный стресс, то это должно приводить к одно- и двухцепочечным разрывам ДНК, к окислению или утрате азотистых оснований в составе нуклеотидов. Среди окисленных оснований наиболее частым в мтДНК предположительно является 8-оксигуанин [10]. Поэтому в условиях окислительного стресса ожидается избыток трансверсий C → A и G → T в тех случаях, когда гуанин в C:G парах окисляется до 8-оксигуанина, и трансверсий A → C и T → G в тех случаях, когда 8-окси-ГТФ используется в качестве нуклеотидного субстрата во время репликации [11, 12]. Однако исследования изменчивости мтДНК в популяциях человека показали, что в спектрах нуклеотидных замен наблюдаются, главным образом, транзиции, а доля трансверсий составляет всего несколько процентов от всех мутаций [13–17]. Из трансверсий, действительно, чаще всего наблюдаются замены C → A (по L-цепи мтДНК), но их доля составляет всего около одного процента от всех мутаций мтДНК [17]. Поэтому, по всей видимости, мутации, индуцированные 8-оксигуанином, не являются главным источником мутагенеза мтДНК.

Для более детального исследования вопроса о влиянии окислительного стресса на геном митохондрий в настоящей работе сопоставлены спектры нуклеотидных замен мтДНК в группах населения, проживающих на различной высоте – примерно до 1 км и в высокогорье, где максимально проявляется гипоксия тканей из-за недостатка кислорода. Генетические исследования популяций человека показали, что существует целый ряд ядерных генов, вовлеченных в высокогорную адаптацию и отвечающих за самые разные физиологические функции (регуляцию транспорта кислорода, гликолиз, кровообращение и др.) [5]. Однако результаты исследований генетических вариантов мтДНК в связи с высокогорной гипоксией довольно противоречивы [18–21], а спектры нуклеотидных замен митохондриальных геномов человека в условиях высокогорья ранее не изучались.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Проанализированы представленные в генетической базе данных GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/) нуклеотидные последовательности целых митохондриальных геномов у населения Тибета и Памира, проживающего на высоте более 4 км над уровнем моря. Популяция Памира (N = 202) представлена таджиками [20], а Тибета (N = 268) – тибетцами [19], которые предположительно отделились от китайцев-ханьцев около 5 тыс. лет тому назад [22].

Спектры нуклеотидных замен мтДНК реконструировали относительно L-цепей предковых последовательностей, выявленных с помощью филогенетического анализа данных об изменчивости митохондриальных геномов. Исследуемые нуклеотидные замены относятся к генеративным мутациям, порядок появления которых можно проследить в филогенетическом дереве мтДНК человека в направлении от предков к потомкам и реконструировать, тем самым, спектры нуклеотидных замен для анализируемых наборов митогеномов. Для филогенетического анализа использовали метод максимальной экономии, реализованный в пакете компьютерных программ mtPhyl v4.015 (https://sites.google.com/site/mtphyl/home). Построения филогенетических деревьев митогеномов проводили отдельно для каждой группы населения. Статистическую значимость различий между частотами нуклеотидных замен в популяциях оценивали с помощью точного теста Фишера.

В анализе распределения нуклеотидных замен в филогенетических деревьях учитывали все замены, без разделения их на приватные замены, находящиеся в концевых ветвях дерева, и замены, определяющие гаплогруппы мтДНК и находящиеся в стволах филогенетического дерева. Проведенный ранее анализ митохондриальных геномов показал отсутствие различий в распределении приватных и гаплогруппо-специфичных замен в различных региональных группах населения [17].

Для сравнительного анализа использованы реконструированные ранее спектры нуклеотидных замен целых митохондриальных геномов населения Евразии, проживающего на высоте примерно до 1 км: северо-восточной части Сибири (эскимосы, алеуты, чукчи, коряки и юкагиры; N = 336); южной части Сибири и прилегающих территорий Северо-Восточного Китая (буряты, баргуты и хамнигане; N = 430); Западной Азии (персы, кашкайцы и ливанцы; N = 340) [17]. Для определения высоты проживания использовали калькулятор высоты карты (https://www.calcmaps.com/ru/map-elevation/).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты анализа спектров нуклеотидных замен митохондриальных геномов населения высокогорных районов Памира и Тибета в сравнении с другими регионами Евразии показали примерно одинаковую распространенность транзиций в различных популяциях (табл. 1). Во всех спектрах мтДНК преобладают пиримидиновые транзиции, и из них – замены T → C, составляющие среди всех нуклеотидных замен примерно 33%. Вторыми по распространенности в большинстве региональных групп следуют замены A → G, а в памирской и северо-восточноазиатской группах – замены G → A. Тем не менее, межгрупповые различия по частоте транзиций в спектрах мтДНК статистически не значимы (P > 0.1, точный тест Фишера). При сопоставлении популяций в двух категориях (высокогорные и не-горные) статистически значимые различия между ними также отсутствуют.

Таблица 1.

Спектры нуклеотидных замен мтДНК (по L-цепи) в различных популяциях человека

Регион C → T T → C G → A A → G tv Всего нуклеотидных замен
Тибет (N = 268) 18.2 (196) 33.0 (356) 21.2 (229) 24.1 (260) 3.5 (38) 1079
Памир (N = 202) 19.9 (178) 34.5 (308) 23.0 (206) 19.1 (171) 3.5 (31) 894
Западная Азия (N = 340) 20.3 (388) 33.8 (647) 20.4 (391) 21.5 (412) 4.1 (78) 1916
Южная Сибирь (N = 430) 20.2 (252) 32.3 (404) 21.1 (264) 22.3 (278) 4.1 (51) 1249
Северо-Восточная Сибирь (N = 336) 19.0 (60) 33.5 (106) 24.4 (77) 19.6 (62) 3.5 (11) 316

Примечание. N – размер выборки; tv – трансверсии. Частоты нуклеотидных замен приводятся в процентах, в скобках указано количество нуклеотидных замен.

Соотношение транзиций к трансверсиям в памирской и тибетской группах составляет 27.4 и 27.8 соответственно. В других региональных группах величина этого показателя варьирует от 23.5 в южносибирском спектре мтДНК до 27.7 в северо-восточноазиатском. Из трансверсий во всех исследованных группах населения Евразии преобладают замены C → A, кроме тибетской, где чаще замены A → C (табл. 2). Трансверсии C → A составляют около 30% из всех трансверсий (или 1.1% из всех нуклеотидных замен). За ними следуют замены A → T и A → C (17.2 и 14.8% соответственно для всех трансверсий). Распределения трансверсий в различных региональных группах не различаются. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что спектры нуклеотидных замен мтДНК (реконструированные по L-цепи) у населения разных географических зон Евразии, включая высокогорные районы, практически не различаются.

Таблица 2.

Распределение трансверсий в мутационных спектрах мтДНК (по L-цепи) в различных популяциях человека

Трансверсии Памир Тибет Южная Сибирь Западная Азия Северо-Восточная Сибирь Все регионы
C → A 29.0 (9) 18.4 (7) 35.3 (18) 32.0 (25) 27.2 (3) 29.6 (62)
A → C 12.9 (4) 29.0 (11) 7.8 (4) 12.8 (10) 18.2 (2) 14.8 (31)
A → T 19.3 (6) 18.4 (7) 15.7 (8) 16.7 (13) 18.2 (2) 17.2 (36)
T → A 9.7 (3) 13.2 (5) 13.7 (7) 9.0 (7) 9.1 (1) 11.0 (23)
G → C 12.9 (4) 13.2 (5) 11.8 (6) 7.7 (6) 18.2 (2) 11.0 (23)
C → G 6.5 (2) 2.6 (1) 3.9 (2) 3.8 (3) 0 3.8 (8)
T → G 6.5 (2) 2.6 (1) 5.9 (3) 7.7 (6) 9.1 (1) 6.2 (13)
G → T 3.2 (1) 2.6 (1) 5.9 (3) 10.3 (8) 0 6.2 (13)

Примечание. Обозначения как в табл. 1.

Одним из основных последствий влияния окислительно-восстановительных реакций, активно протекающих в митохондриях, на мутационный спектр мтДНК предположительно являются трансверсии C → A (или G → T, если вести учет по H-цепи). Этот тип замен ожидается, когда гуанин в C:G парах окисляется до 8-оксигуанина [10]. Как показала настоящая работа, замены C → A действительно являются очень распространенными среди трансверсий, однако их частота составляет всего лишь примерно 1% от всех выявленных нуклеотидных замен. Кроме этого, различия по частоте замен C → A между высокогорными и не-горными популяциями статистически не значимы.

Наиболее частым типом нуклеотидных замен в L-спектрах мтДНК населения различных географических зон являются транзиции T → C ([17] и настоящая работа). Ранее отмечалось, что преобладание транзиций T → C в мутационных спектрах мтДНК характерно для млекопитающих, и частота этой транзиции положительно коррелирует с продолжительностью жизни [9]. Показано также, что частота замен T → C на L-цепи зависит от времени нахождения H-цепи мтДНК в одноцепочечном состоянии во время репликации митохондриального генома [9]. Таким образом, происхождение замен T → C, регистрируемых на L‑цепи, по всей видимости, связано, в основном, с заменами A → G, произошедшими на H-цепи. Одним из основных механизмов мутагенеза в этом случае считается гидролитическое дезаминирование аденина в одноцепочечных участках Н-цепи [7, 9, 23]. Спонтанное превращение аденина в гипоксантин является потенциально мутагенным повреждением ДНК, приводящим к транзициям A → G [24]. Кроме этого, к заменам A → G могут привести и другие реакции: повреждения аденина гидроксильными радикалами [25], появление под воздействием АФК этенопроизводных аденина и других азотистых оснований [26]. Между тем, транзиции T → C могут генерироваться в результате воздействия гидроксильных радикалов на тиминовые основания с образованием тиминового гликоля, однако мутагенный эффект последнего считается низким [27].

Результаты исследований спектров нуклеотидных замен мтДНК человека показали, что важнейшим источником мутаций в митохондриальном геноме является дислокационный мутагенез, приводящий к появлению неспаренных оснований на участках смещения праймерной или матричной цепи в процессе репликации мтДНК [13, 28, 29]. Этот механизм объясняет происхождение примерно 20% вариабельных позиций в генах мтДНК [29]. Анализ гипервариабельных участков главной некодирующей области мтДНК показал, что максимальное число дислокационных мутаций в H-цепи (43%) приходится на замены A → G, в то время как на L-цепи происходят, в основном, замены T → C (79%) [28]. Таким образом, смещение цепей во время репликации мтДНК также может приводить к появлению существенного числа транзиций T → C, регистрируемых в L-спектрах мтДНК.

Отсутствие различий между спектрами нуклеотидных замен мтДНК в высокогорных и не-горных популяциях человека является важным результатом настоящей работы. Учитывая факты, свидетельствующие о том, что продукция АФК в митохондриях существенно возрастает в условиях гипоксии [1], ожидалось, что спектры нуклеотидных замен мтДНК в норме и при гипоксии будут различаться – особенно по частоте транзиций T → C (по L-цепи), которые предположительно более всего чувствительны к уровню окислительного стресса в митохондриях [9]. Однако сходство в распределении частот транзиций T → C и остальных нуклеотидных замен в различных региональных группах и на различной высоте проживания популяций человека свидетельствует о том, что митохондриальные геномы достаточно хорошо защищены от воздействия АФК. Этот вывод распространяется только на генеративные мутации митохондриального генома, поскольку в настоящей работе проводился филогенетический анализ нуклеотидных замен, наследуемых по материнской линии из поколения в поколение в широком временном интервале, вполне достаточном для визуализации генетических эффектов, связанных с адаптацией к различным условиям проживания популяций. Исследование спектров соматических мутаций мтДНК из различных биологических тканей и на протяжении жизни одного индивидуума, очевидно, может привести к несколько другим выводам и к большему разнообразию траекторий мутационных процессов [8, 9].

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-24-00264, https://rscf.ru/project/22-24-00264/.

Авторы заявляют, что все процедуры, выполненные в исследовании с участием людей, соответствуют этическим стандартам институционального и/или национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Список литературы

  1. Burtscher J., Mallet R.T., Pialoux V. et al. Adaptive responses to hypoxia and/or hyperoxia in humans // Antioxid. Redox Signal. 2022. V. 37. P. 887–912. https://doi.org/10.1089/ars.2021.0280

  2. Chandel N.S., McClintock D.S., Feliciano C.E. et al. Reactive oxygen species generated at mitochondrial complex III stabilize hypoxia-inducible factor-1alpha during hypoxia: a mechanism of O2 sensing // J. Biol. Chem. 2000. V. 275. P. 25130–25138. https://doi.org/10.1074/jbc.M001914200

  3. Paddenberg R., Ishaq B., Goldenberg A. et al. Essential role of complex II of the respiratory chain in hypoxia-induced ROS generation in the pulmonary vasculature // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2003. V. 284. P. L710–L719. https://doi.org/10.1152/ajplung.00149.2002

  4. Guzy R.D., Schumacker P.T. Oxygen sensing by mitochondria at complex III: The paradox of increased reactive oxygen species during hypoxia // Exp. Physiol. 2006. V. 91. P. 807–819. https://doi.org/10.1113/expphysiol.2006.033506

  5. Mallet R.T., Burtscher J., Pialoux V. et al. Molecular mechanisms of high-altitude acclimatization // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. https://doi.org/10.3390/ijms24021698

  6. Liu X., Hajnóczky G. Altered fusion dynamics underlie unique morphological changes in mitochondria during hypoxia-reoxygenation stress // Cell Death Differ. 2011. V. 18. P. 1561–1572. https://doi.org/10.1038/cdd.2011.13

  7. Alexeyev M.F. Is there more to aging than mitochondrial DNA and reactive oxygen species? // FEBS J. 2009. V. 276. P. 5768–5787. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2009.07269.x

  8. Zsurka G., Peeva V., Kotlyar A., Kunz W.S. Is there still any role for oxidative stress in mitochondrial DNA-dependent aging? // Genes (Basel). 2018. V. 9. P. 175. https://doi.org/10.3390/genes9040175

  9. Mikhailova A.G., Mikhailova A.A., Ushakova K. et al. A mitochondria-specific mutational signature of aging: increased rate of A > G substitutions on the heavy strand // Nucl. Ac. Res. 2022. V. 50. P. 10264–10277. https://doi.org/10.1093/nar/gkac779

  10. Richter C., Park J.-W., Ames B.N. Normal oxidative damage to mitochondrial and nuclear DNA is extensive // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1988. V. 85. P. 6465–6467. https://doi.org/10.1073/pnas.85.17.6465

  11. Cheng K.C., Cahill D.S., Kasai H. et al. 8-Hydroxyguanine, an abundant form of oxidative DNA damage, causes G > T and A > C substitutions // J. Biol. Chem. 1992. V. 267. P. 166–172.

  12. Kang D., Hamasaki N. Maintenance of mitochondrial DNA integrity: Repair and degradation // Curr. Genet. 2002. V. 41. P. 311–322. https://doi.org/10.1007/s00294-002-0312-0

  13. Malyarchuk B.A., Rogozin I.B., Berikov V.B., Derenko M.V. Analysis of phylogenetically reconstructed mutational spectra in human mitochondrial DNA control region // Hum. Genet. 2002. V. 111. P. 46–53. https://doi.org/10.1007/s00439-002-0740-4

  14. Малярчук Б.А. Анализ распределения нуклеотидных замен в генах митохондриальной ДНК человека // Генетика. 2005. Т. 41. № 1. С. 93–99.

  15. Kivisild T., Shen P., Wall D.P. et al. The role of selection in the evolution of human mitochondrial genomes // Genetics. 2006. V. 172. P. 373–387. https://doi.org/10.1534/genetics.105.043901

  16. Pereira L., Freitas F., Fernandes V. et al. The diversity present in 5140 human mitochondrial genomes // Am. J. Hum. Genet. 2009. V. 84. P. 628–640. https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2009.04.013

  17. Малярчук Б.А. Сравнительный анализ мутационных спектров митохондриальных геномов в популяциях человека // Мол. биология. 2023. Т. 57. № 5. С. 792–796. https://doi.org/10.31857/S0026898423050117

  18. Kang L., Zheng H.X., Chen F. et al. mtDNA lineage expansions in Sherpa population suggest adaptive evolution in Tibetan highlands // Mol. Biol. Evol. 2013. V. 30. P. 2579–2587. https://doi.org/10.1093/molbev/mst147

  19. Kang L., Zheng H.X., Zhang M. et al. MtDNA analysis reveals enriched pathogenic mutations in Tibetan highlanders // Sci. Rep. 2016. V. 6. https://doi.org/10.1038/srep31083

  20. Peng M.S., Xu W., Song J.J. et al. Mitochondrial genomes uncover the maternal history of the Pamir populations // Eur. J. Hum. Genet. 2018. V. 26. P. 124–136. https://doi.org/10.1038/s41431-017-0028-8

  21. Basnet R., Rai N., Tamang R. et al. The matrilineal ancestry of Nepali populations // Hum. Genet. 2023. V. 142. P. 167–180. https://doi.org/10.1007/s00439-022-02488-z

  22. Jeong C., Alkorta-Aranburu G., Basnyat B. et al. Admixture facilitates genetic adaptations to high altitude in Tibet // Nat. Commun. 2014. V. 5. https://doi.org/10.1038/ncomms4281

  23. Корниенко И.В., Малярчук Б.А. Анализ механизмов возникновения мутаций в митохондриальной ДНК человека // Мол. биология. 2005. Т. 39. № 5. С. 869–877.

  24. Hill-Perkins M., Jones M.D., Karran P. Site-specific mutagenesis in vivo by single methylated or deaminated purine bases // Mut. Res. 1986. V. 162. P. 153–163. https://doi.org/10.1016/0027-5107(86)90081-3

  25. Ide H., Yamaoka T., Kimura Y. Replication of DNA templates containing the alpha-anomer of deoxyadenosine, a major adenine lesion produced by hydroxyl radicals // Biochemistry. 1984. V. 33. P. 7127–7133. https://doi.org/10.1021/bi00189a016

  26. Pandya G.A., Moriya M. 1,N6-ethenodeoxyadenosine, a DNA adduct highly mutagenic in mammalian cells // Biochemistry. 1996. V. 35. P. 11487–11492. https://doi.org/10.1021/bi960170h

  27. Basu A.K., Loechler E.L., Leadon S.A., Essigmann J.M. Genetic effects of thymine glycol: site-specific mutagenesis and molecular modeling studies // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1989. V. 86. P. 7677–7681. https://doi.org/10.1073/pnas.86.20.7677

  28. Malyarchuk B.A., Rogozin I.B. Mutagenesis by transient misalignment in human mitochondrial DNA control region // Ann. Hum. Genet. 2004. V. 68. P. 324–339. https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.2004.00099.x

  29. Малярчук Б.А. Роль контекста в возникновении мутаций в генах митохондриальной ДНК человека // Генетика. 2005. Т. 41. № 3. С. 385–390.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Генетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал