ВИРУС-ИНДУЦИРОВАННАЯ МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДИСФУНКЦИЯ И ЕЕ РОЛЬ В НАРУШЕНИЯХ ИММУННОГО ОТВЕТА НА АКТУАЛЬНУЮ ВИРУСНУЮ ИНФЕКЦИЮ

На долю вирусных заболеваний приходится все больше летальных случаев во всем мире. Особенную тревожность эта динамика приобрела с началом пандемии COVID-19. Вирусы управляют биохимическими механизмами клетки-хозяина, пытаясь модифицировать внутриклеточную среду, сделав ее максимально благоприятной для их репликации. Митохондриальная сеть предельно восприимчива к любым воздействиям окружающей среды, включая, конечно, и вирусные инфекции. Вирусы влияют на функции митохондрий, их метаболизм, а также на митохондриально-ассоциированные сигнальные системы активации иммунной защиты.

Митохондрии – это внутриклеточные органеллы, которые являются энергетическим центром клетки.

Как высокоактивные структуры, они обладают достаточной уязвимостью и реагируют на воспаление, инфекциии другие воздействия окружающей среды через структурные изменения митохондриальных мембран и экспрессию специфических белков [1]. Вирусы – облигатные паразиты, репликация и пролиферация которых полностью зависит от внутренних механизмов клетки-хозяина [2]. Взаимосвязь между митохондриальным пулом клетки-хозяина и развитием вирусных инфекций сегодня является предметом активнейшего изучения. Но уже не вызывает сомнений тот факт, что митохондрии служат одним из ключевых факторов запуска реакций врожденного и адаптивного противовирусного иммунитета. Это подтверждается тем, что для вирусов митохондрии служат приоритетной целью. При прогрессировании инфекции они напрямую подвергаются воздействию вирусных белков и таким дисфункциям, как окислительный стресс, гипоксия, стресс эндоплазматического ретикулума, нарушение регуляции гомеостаза кальция и т.д. [3].

Впервые вероятная взаимосвязь между митохондриями и вирусом гриппа А, а также вирусами герпеса была показана в 1950-х годах [4]. Более поздние исследования продемонстрировали наличие похожих взаимодействий для вирусов гепатита B (HBV) [5], гепатита C (HCV) [6], респираторно-синцитиального вируса [7]. В последние два года крайне интенсивно идет изучение механизмов повреждения митохондрий и вирусом SARS-CoV-2. В перспективе исследования роли митохондриального пула в вирусном патогенезе улучшат понимание глобальных взаимодействий «вирус-хозяин», что поспособствует разработке новых противовирусных стратегий.

Среди уже обнаруженных механизмов вирус-индуцированной митохондриальной дисфункции можно выделить:

1. Нарушения митохондриальной динамики. Основной способ поддержания гомеостаза митохондрий – это их слияние, деление и митофагия. Эти процессы регулируются целым набором механохимических белков-динаминов и получили название митохондриальной динамики [8]. Функциональная активность митохондрий и их мембранный потенциал зависят от нее напрямую, а кроме того, эти процессы оказывают непосредственное влияние на иммунный ответ во время вирусных инфекций. Так, например, известно, что взаимодействия вируса с митохондриями блокируют ассоциированные с митохондриями антивирусные сигнальные механизмы (MAVS) [9]. При этом передача митохондриальных противовирусных сигналов происходит посредством тех самых механохимических протеинов (в частности, митофузинов), которые регулируют митохондриальную динамику [10].

2. Нарушения мембранного потенциала. Блокирование митофузинов также приводит и к потере потенциала митохондриальной мембраны. Этот параметр играет критически важную роль в процессах выявления, сегрегации и последующей митофагии необратимо поврежденных митохондрий [11]. Соответственно, уменьшение мембранного потенциала под влиянием вирусов приводит к накоплению дефектных митохондрий, а следовательно, к нарушению нормального противовирусного иммунного ответа. Еще один патогенетический фактор снижения мембранного потенциала основан на том, что такое нарушение предотвращает клеточный апоптоз. Данная стратегия выгодна для вируса, поскольку предоставляет ему достаточно времени для внутриклеточной репликации и самосборки новых вирионов [12].

3. Нарушения митохондриального метаболизма. Так, например, ряд вирусов посредством взаимодействия с комплексом I транспортной цепи электронов изменяет нормальную митохондриальную активность. В частности, стимулируется каскад реакций цикла трикарбоновых кислот, а через него и биосинтез липидов, необходимых для сборки вирусных оболочек [13].

4. Нарушения энергосинтеза. Вирусные инфекции ускоряют образование АТФ, поскольку стремительная репликация вирионов может быть обеспечена только внутренними энергетическими ресурсами клетки [14]. При этом, чем более интенсивно идет выработка АТФ, тем больше образуется активных форм кислорода (АФК), которые являются побочным продуктом переноса электронов в дыхательной цепи митохондрий. Нарастание концентрации АФК приводит к лавинообразному накоплению повреждений митохондриальных белковых комплексов и мембран, развитию острого окислительного стресса и гибели митохондрий [15].

Помимо прямого взаимодействия «вирус-митохондрия» важнейшую роль в борьбе с инфекцией играет и индукция митохондриями иммунных ответов, в первую очередь, врожденного иммунитета. Он имеет решающее значение как для первичного обнаружения инфекций, так и для дальнейшей борьбы с вирусными поражениями [16]. При этом сохранность функциональной активности митохондрий, их целостности и здоровья митохондриального пула в общем, напрямую влияют на иммунные реакции. Так, например, врожденный иммунитет распознает специфические патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMP) и молекулярные паттерны, ассоциированные с клеточными повреждениями (DAMP), как сигналы тревоги (алармины), стимулирующие развитие иммунного ответа [17]. Многие из таких аларминов – метаболические продукты митохондрий. Например, ими являются неметилированная мтДНК CpG [18], АФК [19], кардиолипин [20] и н-формилпептиды (n-fp) [21].

Кроме того, в ряде исследований была показана роль митохондрий в активации инфламмасом NLRP3 и NLRP6 - метаболитов, которые влияют на развитие иммунного ответа, в частности, воспалительного характера [22]. Наконец, промежуточные метаболические продукты цикла трикарбоновых кислот, такие как сукцинат, фумарат или цитрат, участвуют в активации клеточного иммунитета, причем, как врожденного, так и адаптивного. Они стимулируют работу таких элементов иммунной системы, как макрофаги, дендритные клетки, Т- и В-лимфоциты, клетки иммунной памяти, нейтрофилы и др. [23]

Более подробно следует остановиться на митохондриальных противовирусных сигнальных системах (MAVS), о которых уже упоминалось чуть выше. Их важность в своевременном развитии иммунного ответа подчеркивается тем фактом, что в модельном эксперименте MAVS-дефицитные мыши вообще не смогли индуцировать продукцию интерферона типа I, а также специфический иммунный ответ против полиинозиновой:полицитидиловой кислоты (poly I:C) [24].

Кроме того, многие митохондриальные белки и метаболиты, взаимодействующие с MAVS, входят в сложный интерактом, участвующий в противовирусном и воспалительном ответах, в гибели инфицированных клеток и их аутофагии [25]. Большинство из этих белков незаменимы и играют критическую роль в развитии таких противовирусных реакций врожденного иммунитета, как выработка интерферонов, цитокинов и хемокинов. Например, метилкротонил-КоА-карбоксилаза-1 усиливает передачу MAVS, что стимулирует секрецию противовирусного интерферона I типа (INF α/β) [26].

Нормальная работа MAVS имеет определяющее значение для:

• распознавания вирусной инфекции;
• привлечения иммунных клеток к участку ее проникновения;
• активации врожденного и специфического адаптивного иммунного ответа;
• индукции производства молекул, необходимых для борьбы с инфекцией;
• устранения инфекционного агента;
• и, наконец, восстановления поврежденных тканей [27].

Итак, вирусы вызывая изменения функциональной активности митохондрий, действуют преимущественно двумя путями: нарушают митохондриальную динамику и затрудняют работу ассоциированных с митохондриями противовирусных сигнальных механизмов. [28]. Однако, делают они по-разному. Приведем несколько характерных примеров.

1. SARS-CoV-2

Новый коронавирус, связанный с тяжелым острым респираторным синдромом (SARS-CoV-2), оказался опасным патогеном, имеющим высокую контагиозность и смертность. Патофизиология инфекции SARS-CoV-2 основана на чрезмерно интенсивных воспалительных реакциях, вызывающих массивные повреждения дыхательных путей. При этом большинство пациентов с COVID-19 демонстрируют значительно сниженную активность врожденного иммунитета [29]. Это может иметь объяснение с точки зрения митохондриальной дисфункции. Так, в недавних исследованиях М-белок SARS-CoV-2 был идентифицирован как фактор, который напрямую взаимодействует с MAVS, подавляя индукцию IFN-ответа типа I [30]. Кроме того, было показано, что другой белок SARS-CoV-2 под названием Orf9b связывается с адаптерным белком внешней мембраны митохондрий TOM70 и также подавляет противовирусный IFN-ответ типа I [31].

Также, имеется множество сообщений о том, что при инфекции SARS-CoV-2 снижается чувствительность клеток к кислороду, что опосредовано выраженной дисфункцией митохондрий [32]. Наконец, у пациентов с COVID-19 часто отмечается нарушение работы свертывающей системы крови в виде гиперкоагуляции. Некоторые исследователи связывают это с внутриклеточным окислительным стрессом, вызванным повышенной из-за влияния вируса продукцией АФК в митохондриях [33].

2. Вирус гриппа

Вирус гриппа – это респираторный патоген, который по оценкам ВОЗ, ежегодно вызывает 3-5 миллионов случаев тяжелого заболевания и до 650 тысяч летальных исходов [34]. Как было показано исследованиями, один из его белков (NS1) подавляет IFN-ответ типа 1 путем прямого прерывания передачи сигналов RIG-I. RIG-I является внутриклеточным рецептором опознавания вирус-ассоциированных паттернов, который участвует в активации белков MAVS, а следовательно, и в антивирусном ответе врожденного иммунитета [35]. Другой белок вируса гриппа (PB1-F2), нарушает потенциал митохондриальной мембраны, блокирует MAVS и подавляет иммунные реакции, а также активацию инфламмасом типа NLRP3 [36].

3. Вирусы гепатита

Ряд протеинов вирусов гепатита В и С локализуются непосредственно на мембранах митохондрий, нарушая их потенциал и индуцируя чрезвычайно интенсивную выработку АФК. Это закономерно приводит к серьезным повреждениям митохондрий с подавлением β-окисления жирных кислот и усилением липогенеза [37]. Кроме того, неструктурный белок NS5A вируса гепатита ингибирует активность ферментного комплекса I цепи переноса электронов, способствуя патологическому накоплению кальция митохондриями и изменению проницаемости их мембран. А сериновая протеаза вирусного гепатита NS3/4a расщепляет белки MAVS и способствует уклонению вируса от иммунитета [38].

4. Респираторно-синцитиальный вирус человека (RSV)

RSV – это одноцепочечный РНК вирус, который является основной причиной тяжелых инфекций нижних дыхательных путей в детском возрасте [39]. Недавние исследования показали, что инфекция RSV фактически захватывает митохондрии клетки-хозяина, маневрируя ими в целях улучшения собственной репликации и вызывая перераспределение митохондрий в направлении перинуклеарной области. Одновременно такие воздействия вируса снижают потенциал митохондриальной мембраны и значительно увеличивают концентрацию АФК в клетке [40].

На настоящий момент у научного сообщества уже не осталось сомнений в том, что существует тесная связь между здоровьем митохондриального пула и агрессивностью вирусного заболеваний у конкретного пациента. Эффективный путь для борьбы с вирус-индуцированной митохондриальной дисфункцией – активация митохондриальной динамики, как основного механизма обновления и восстановления целостности и качества этих органелл. Сегодня уже известен один из стимуляторов слияния, деления и митофагии – уролитин А, синтезируемый микрофлорой кишечника [41]. Наиболее целесообразным способом усилить выработку уролитина А представляется прием функциональных продуктов здорового питания, содержащих субстрат для его производства микробиотой. Таким продуктом является, например, T8 Mit Up, выпускаемый компанией VILAVI.

Кроме того, в состав T8 Mit Up входит комплекс SibXP, содержащий полипренолы, клеточный сок пихты и хвойную пасту CGNC. Для поддержания нормальной работы митохондриального пула прежде всего важны антиоксидантные свойства полипренолов. Эти соединения способны нейтрализовать второй важный фактор вирусного повреждения митохондрий – активные формы кислорода (АФК) и не допустить развития внутриклеточного окислительного стресса. Ежедневный прием T8 Mit Up в период пандемии, а также сезонных ОРВИ способен стать значимой частью профилактики и лечения многих самых распространенных вирусных инфекций.

Список использованной научной литературы:

1. Murphy M.P., Hartley R.C. Mitochondria as a therapeutic target for common pathologies. Nature Reviews Drug Discovery. 2018, 17, 865–886.
2. Thaker S.K., Ch’ng J., Christofk H.R. Viral hijacking of cellular metabolism. BMC Biology. 2019, 17, 59.
3. Elesela S., Lukacs N.W. Role of Mitochondria in Viral Infections. Life. 2021, 11, 232.
4. Ackermann W.W., Johnson R.B. Some energy relations in a host-virus system. Journal of Experimental Medicine. 1953, 97, 315–322.
5. Hossain M.G., Akter S., Ohsaki E., Ueda K. Impact of the Interaction of Hepatitis B Virus with Mitochondria and Associated Proteins. Viruses. 2020, 12, 175.
6. Kim S.J., Syed G.H., Khan M., Chiu W.W., Sohail M.A., Gish R.G., Siddiqui A. Hepatitis C virus triggers mitochondrial fission and attenuates apoptosis to promote viral persistence. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2014, 111, 6413–6418.
7. Elesela S., Morris S.B., Narayanan S., Kumar S., Lombard D.B., Lukacs N.W. Sirtuin 1 regulates mitochondrial function and immune homeostasis in respiratory syncytial virus infected dendritic cells. PLOS Pathogens. 2020, 16, e1008319.
8. Yoo S.M., Jung Y.K. A Molecular Approach to Mitophagy and Mitochondrial Dynamics. Molecules and Cells. 2018, 41, 18–26.
9. Koshiba T., Yasukawa K., Yanagi Y., Kawabata S. Mitochondrial membrane potential is required for MAVS-mediated antiviral signaling. Science Signaling. 2011, 4, p 7.
10. Refolo G., Vescovo T., Piacentini M., Fimia G.M., Ciccosanti F. Mitochondrial Interactome: A Focus on Antiviral Signaling Pathways. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2020, 8, 8.
11. Zorova L.D., Popkov V.A., Plotnikov E.Y., Silachev D.N., Pevzner I.B., Jankauskas S.S., et al. Mitochondrial membrane potential. Analytical Biochemistry. 2018, 552, 50–59.
12. Anand S.K., Tikoo S.K. Viruses as modulators of mitochondrial functions. Advances in Virology. 2013, 2013, 738794.
13. Yu Y., Clippinger A.J., Alwine J.C. Viral effects on metabolism: Changes in glucose and glutamine utilization during human cytomegalovirus infection. Trends in Microbiology. 2011, 19, 360–367.
14. Qu C., Zhang S., Li Y., Wang Y., Peppelenbosch M.P., Pan Q. Mitochondria in the biology, pathogenesis, and treatment of hepatitis virus infections. Reviews in Medical Virology. 2019 September, 29 (5): e2075.
15. Murphy M.P. How mitochondria produce reactive oxygen species. Biochemistry Journal. 2009, 417: 1-13.
16. West A.P., Shadel G.S., Ghosh S. Mitochondria in innate immune responses. Nature Reviews Immunology. 2011, 11, 389–402.
17. Iwasaki A., Medzhitov R. Control of adaptive immunity by the innate immune system. Nature Immunology. 2015, 16, 343–353.
18. Moretton A., Morel F., Macao B., Lachaume P., Ishak L., Lefebvre M., et al. Selective mitochondrial DNA degradation following double-strand breaks. PLOS One. 2017, 12, e0176795.
19. Oyewole A.O., Birch-Machin M.A.. Mitochondria-targeted antioxidants. Journal of Federation of American Societies for Experimental Biology. 2015, December, 29 (12): 4766-71.
20. Shen Z., Ye C., McCain K., Greenberg M.L. The Role of Cardiolipin in Cardiovascular Health. BioMed Research International. 2015, 2015, 891707.
21. Schiffmann E., Corcoran B.A., Wahl S.M. N-formylmethionyl peptides as chemoattractants for leucocytes. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 1975, 72, 1059–1062.
22. Yu J.W., Lee M.S. Mitochondria and the NLRP3 inflammasome: Physiological and pathological relevance. Archives of Pharmacal Research. 2016, 39, 1503–1518.
23. Pearce E.L., Pearce E.J. Metabolic pathways in immune cell activation and quiescence. Immunity. 2013, 38, 633–643.
24. Kumar H., Kawai T., Kato H., Sato S., Takahashi K., Coban C., Yamamoto M., et al. Essential role of IPS-1 in innate immune responses against RNA viruses. Journal of Experimental Medicine. 2006, 203, 1795–1803.
25. O’Neill L.A., Kishton R.J., Rathmell J. A guide to immunometabolism for immunologists. Nature Reviews Immunology. 2016, 16, 553–565.
26. Cao Z., Xia Z., Zhou Y., Yang X., Hao H., Peng N., Liu S., Zhu Y. Methylcrotonoyl-CoA carboxylase 1 potentiates RLR-induced NF-κB signaling by targeting MAVS complex. Scientific Reports. 2016, 6, 33557.
27. Banoth B., Cassel S.L. Mitochondria in innate immune signaling. Translational Research. 2018, 202, 52–68.
28. Zhang L., Qin Y., Chen M. Viral strategies for triggering and manipulating mitophagy. Autophagy. 2018, 14, 1665–1673.
29. Tay M.Z., Poh C.M., Rénia L., MacAry P.A. The trinity of COVID-19: Immunity, inflammation and intervention. Nature Reviews Immunology. 2020, 20, 363–374.
30. Fu Y.Z., Wang S.Y., Zheng Z.Q., Yi H., Li W.W., Xu Z.S., Wang Y.Y. SARS-CoV-2 membrane glycoprotein M antagonizes the MAVS-mediated innate antiviral response. Cellular & Molecular Immunology. 2020, 18, 613–620.
31. Jiang H.W., Zhang H.N., Meng Q.F., Xie J., Li Y., Chen H., Zheng Y.X., Wang X.N., et al. SARS-CoV-2 Orf9b suppresses type I interferon responses by targeting TOM70. Cellular & Molecular Immunology. 2020, 17, 998–1000.
32. Saleh J., Peyssonnaux C., Singh K.K., Edeas M. Mitochondria and microbiota dysfunction in COVID-19 pathogenesis. Mitochondrion. 2020, 54, 1–7.
33. Burtscher J., Cappellano G., Omori A., Koshiba T., Millet G.P. Mitochondria: In the Cross Fire of SARS-CoV-2 and Immunity. iScience. 2020, 23, 101631.
34. Всемирная организация здравоохранения. Информационные бюллетени. Грипп. Дата обращения: 26 ноября 2018.
35. Nogales A., Martinez-Sobrido L., Topham D.J., DeDiego M.L. Modulation of Innate Immune Responses by the Influenza A NS1 and PA-X Proteins. Viruses. 2018, 10, 708.
36. Cheung P.H., Lee T.T., Kew C., Chen H., Yuen K.Y., Chan C.P., Jin D.Y. Virus subtype-specific suppression of MAVS aggregation and activation by PB1-F2 protein of influenza A (H7N9) virus. PLOS Pathogens. 2020, 16, e1008611.
37. Horner S.M., Liu H.M., Park H.S., Briley J., Gale M. Mitochondrial-associated endoplasmic reticulum membranes (MAM) form innate immune synapses and are targeted by hepatitis C virus. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2011, 108, 14590–14595.
38. Jassey A., Liu C.H., Changou C.A., Richardson C.D., Hsu H.Y., Lin L.T. Hepatitis C Virus Non-Structural Protein 5A (NS5A) Disrupts Mitochondrial Dynamics and Induces Mitophagy. Cells. 2019, 8, 290.
39. Ptaschinski C., Lukacs N.W. Early Life Respiratory Syncytial Virus Infection and Asthmatic Responses. Immunology and Allergy Clinics of North America. 2019, 39, 309–319.
40. Hu M., Schulze K.E., Ghildyal R., Henstridge D.C., Kolanowski J.L., New E.J., et al. Respiratory syncytial virus co-opts host mitochondrial function to favour infectious virus production. eLife. 2019, 8, e42448.
41. Selma M.V., Beltrán D., Luna M.C., Romo-Vaquero M., García-Villalba R., Mira A., et al. Isolation of Human Intestinal Bacteria Capable of Producing the Bioactive Metabolite Isourolithin A from Ellagic Acid. Frontiers in Microbiology. 2017, 8: 1521.