Mitochondrial dysfunction as a probable mechanism for triggering inflammatory joint diseases

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article concerns the contribution of mitochondrial dysfunction to the development of inflammatory joint diseases. Mitochondria are the main suppliers of adenosine triphosphate (ATP). Reactive oxygen species (ROS) are a by-product of this metabolic process. Mitochondria also have an effective antioxidant mechanism: there is a certain balance between the ROS formation and their inactivation. Accumulation with age of mutations (single nucleotide substitutions, e.g., transversions, transitions, and deletions) in mitochondrial DNA, may cause a disorder in selective destruction (utilization) of damaged and dysfunctional mitochondria (mitophagy) thus leading to imbalance between the ROS production and their neutralization. This process is triggered by both internal factors (ROS overproduction) and external factors, i.e., tissue damage / injury and infection. The failure of quality control mechanisms resulting from disruption of mitophagy leads to a significant increase in terminally damaged mitochondria, which become a threat to cell survival. High level of genetic mutations accumulating with age in mitochondrial genome causes an increased formation of ROS, which, in turn, are one of the leading activators of the cytosolic NLRP3 protein, the main component of inflammasome type of the same name. Increased inflammasome formation ultimately triggers caspase-1 dependent production of pro-inflammatory interleukins-1β (IL-1β) and 18 (IL-18). Inadequate removal of damaged mitochondria leads to hyperactivation of inflammatory signaling pathways and, subsequently, to chronic systemic inflammation and development of inflammatory diseases, including primary osteoarthritis (OA). To assess the level of mitochondrial dysfunction, we assessed the numbers of mitochondrial genome copies in post-mitotic muscle cells in 48 patients aged 45 to 95 years who were diagnosed with OA of the knee or hip joints. As a result of our study, we have discovered and confirmed some regularities of human mtDNA mutations corresponding to those in vertebrates, and, in particular, in mammals. Degenerate mutation spectra (without classification of mutations by mtDNA chains and the context of surrounding nucleotides) were constructed for mtDNA in general, and for each individual sample. It was demonstrated that, in one-third of muscle samples, the critical threshold of mtDNA heteroplasmy was exceeded, at which the aberrant biochemical phenotype, in terms of oxidative phosphorylation functioning, (OXPHOS) becomes dominant. Of note, the heteroplasmy rates are lower in older patients who have had significant physical activity during their lives (sports, moderate physical work, etc.). Moreover, the heteroplasmy showed an inverse correlation with high mtDNA copy number. The results obtained can be used to diagnose pathologies in elderly, and the process of healthy aging.

About the authors

Andrey G. Goncharov

Immanuel Kant Baltic Federal University

Author for correspondence.
Email: agoncharov59@mail.ru

PhD (Medicine), Senior Research Associate, Center for Immunology and Cellular Biotechnologies, Immanuel Kant Baltic Federal University

Russian Federation, Kaliningrad

M. A. Tatarkina

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

Research Laboratory Assistant, Center for Genomic Research, Immanuel Kant Baltic Federal University

Russian Federation, Kaliningrad

V. V. Lobanova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

Research Laboratory Assistant, Center for Genomic Research, Immanuel Kant Baltic Federal University

Russian Federation, Kaliningrad

I. I. Kozenkov

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

Junior Research Associate, Center for Genomic Research, Immanuel Kant Baltic Federal University

Russian Federation, Kaliningrad

A. K. Dzhigkaev

Center for High Medical Technologies

Email: agoncharov59@mail.ru

PhD (Medicine), Head, Department of Traumatology and Orthopedics, Center for High Medical Technologies

Russian Federation, Kaliningrad

K. V. Gunbin

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

PhD (Biology), Senior Research Associate, Center for Genomic Research, Immanuel Kant Baltic Federal University

Russian Federation, Kaliningrad

References

  1. Ганковская Л.В., Артемьева О.В., Намазова-Баранова Л.С., Семенков В.Ф., Свитич О.А., Греченко В.В. Иммунологические аспекты старения и возраст-ассоциированная патология. М.: Педиатръ, 2021. 156 с. [Gankovskaya L.V., Artemyeva O.V., Namazova-Baranova L.S., Semenkov V.F., Svitich O.A., Grechenko V.V. Immunological aspects of aging and age-associated pathology]. Moscow: Pediatr, 2021. 156 p.
  2. Зоткин Е.Г., Дыдыкина И.С., Лила А.М. Воспалительная теория старения, возраст-ассоциированные заболевания и остеоартрит // РМЖ, 2020. № 7. С. 33-38. [Zotkin E.G., Dydykina I.S., Lila A.M. Inflammatory theory of aging, age-related diseases and osteoarthritis. breast cancer. RMZh = Russian Medical Journal, 2020, no. 7, pp. 33-38. (In Russ.)]
  3. Allen K.D., Thoma L.M., Golightly Y.M. Epidemiology of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage, 2022, Vol. 30, no. 2, pp. 184-195.
  4. Arbeithuber B., Hester J., Cremona M.A., Stoler N., Zaidi A., Higgins B., Anthony K., Chiaromonte F., Diaz F.J., Makova K.D. Age-related accumulation of de novo mitochondrial mutations in mammalian oocytes and somatic tissues. PLoS Biol., 2020, Vol. 18, no. 7, e3000745. doi: 10.1371/journal.pbio.3000745.
  5. Bax B.E. Mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy: approaches to diagnosis and treatment. J. Transl. Genet. Genom., 2020, Vol. 4, pp. 1-16.
  6. Choubey V., Zeb A., Kaasik A. Molecular mechanisms and regulation of mammalian mitophagy. Cells, 2021, Vol. 11, no. 1, 38. doi: 10.3390/cells11010038.
  7. Dabravolski S.A., Nikiforov N.G., Zhuravlev A.D., Orekhov N.A., Grechko A.V., Orekhov A.N. Role of the mtDNA mutations and mitophagy in inflammaging. Int. J. Mol. Sci., 2022, Vol. 23, no. 3, 1323. doi: 10.3390/ijms23031323.
  8. Fang T., Wang M., Xiao H., Wei X. Mitochondrial dysfunction and chronic lung disease. Cell Biol. Toxicol., 2019, Vol. 35, no. 6, pp. 493-502.
  9. Franceschi C., Bonafè M., Valensin S., Olivieri F., de Luca M., Ottaviani E., De Benedictis G. Inflamm-aging. An evolutionary perspective on immunosenescence. Ann. N. Y. Acad. Sci., 2000, Vol. 908, pp. 244-254.
  10. Jang J.Y., Blum A., Liu J., Finkel T. The role of mitochondria in aging. J. Clin. Invest., 2018, Vol. 128, no. 9, pp. 3662-3670.
  11. Meyers D.E., Basha H.I., Koenig M.K. Mitochondrial cardiomyopathy: pathophysiology, diagnosis, and management. Tex. Heart Inst. J., 2013, Vol. 40, no. 4, pp. 385-394.
  12. Mikhailova A.G., Mikhailova A.A., Ushakova K., Tretiakov E.O., Iliushchenko D., Shamansky V., Lobanova V., Kozenkov I., Efimenko B., Yurchenko A.A., Kozenkova E., Zdobnov E.M., Makeev V., Yurov V., Tanaka M., Gostimskaya I., Fleischmann Z., Annis S., Franco M., Wasko K., Denisov S., Kunz W.S., Knorre D., Mazunin I., Nikolaev S., Fellay J., Reymond A., Khrapko K., Gunbin K., Popadin K. A mitochondria-specific mutational signature of aging: increased rate of A > G substitutions on the heavy strand. Nucleic Acids Res., 2022, Vol. 50, no. 18, pp. 10264-10277.
  13. Prasun P. Mitochondrial dysfunction in metabolic syndrome. Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis., 2020, Vol. 1866, no. 10,165838. doi: 10.1016/j.bbadis.2020.165838.
  14. Ray K. Mitochondrial dysfunction in Crohn’s disease. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol., 2020, Vol. 17, no. 5, 260. doi: 10.1038/s41575-020-0291-y.
  15. Sanchez-Contreras M., Sweetwyne M.T., Tsantilas K.A., Whitson J.A., Campbell M.D., Kohrn B.F., Kim H.J., Hipp M.J., Fredrickson J., Nguyen M.M., Hurley J.B., Marcinek D.J., Rabinovitch P.S., Kennedy S.R. The multi-tissue landscape of somatic mtDNA mutations indicates tissue-specific accumulation and removal in aging. Elife, 2023, Vol. 12, e83395. doi: 10.7554/eLife.83395.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Goncharov A.G., Tatarkina M.A., Lobanova V.V., Kozenkov I.I., Dzhigkaev A.K., Gunbin K.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».