Point mutations in the mitochondrial genome of skeletal muscle in patients with osteoarthritis

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Osteoarthritis (OA) is one of the most common diseases of the musculoskeletal system, accomplished by a high level of disability. The leading pathogenetic factors of these age-associated diseases include the interrelated processes of “inflammatory aging” and mitochondrial dysfunction, which lead to the development of chronic inflammation and degradation of different joint tissues. The present article contains results about point mutations in mitochondrial genome of peri-articular muscular tissues in the patients with primary OA (experimental group) and post-traumatic osteoarthritis (control group). The study involved 67 volunteers over 53 years old with basic diagnosis of post-traumatic or primary gonarthrosis / coxarthrosis stage 3. Clinical diagnosis was made on the basis of medical history, complaints, clinical and X-ray examination data. The material for the study included the samples of muscles (80 to 100 mm3) obtained at knee or hip replacement surgery. Several techniques have been adapted for isolation, enrichment and purification of nucleic acids, thus allowing to obtain up to 500 ng of mitochondrial DNA (mtDNA) from the biopsies. The prepared mtDNA libraries were sequenced at NGS platform. Bioinformatic analysis was carried out using the following programs: MitoHPC (to detect rare single-nucleotide mutations of mtDNA), MitoSAlt (to detect rare deletions at the mtDNA level) and Splice-Break2 (to detect rare deletions at the level of mtDNA RNA transcripts). Common point mutations A189G (adenine to guanine at position 189) and T408A (thymine to adenine at position 408) were detected. In the control group, the A189G mutation was revealed in 7 patients and T408A mutation was found in 8 volunteers (both mutations were detected in 6 out of 9 persons). In experimental group, the A189G mutation was found in 43 of 58 patients, T408A – in 35 volunteers. In this group of volunteers, both mutations were registered in 19 subjects. The level of mutation frequency, expressed as allele frequency (VAF) in the experimental group significantly exceeded that of the control group. Moreover, in experimental group, unlike control group, a significant correlative relationship was established between the presence of an increased level of mutations in the mitochondrial genome, and a number of clinical and laboratory parameters in volunteers. The described mutations in the mitochondrial genome of periarticular muscle tissue seem to be associated both with aging process and with the direct development of age-associated pathology, i.e., osteoarthritis. The increased levels of mutations in positions 189 and 408 of the regulatory region of mitochondrial genes detected in our patients are apparently associated with both increased level of mutations typical of pathological aging and, possibly, with genotoxic effects of high-dose therapy with non-steroidal anti-inflammatory drugs on mitochondrial genome.

About the authors

A. G. Goncharov

Immanuel Kant Baltic Federal University

Author for correspondence.
Email: agoncharov59@mail.ru

PhD (Medicine), Senior Researcher, Center for Immunology and Cellular Biotechnologies

Russian Federation, Kaliningrad

A. Kh. Jigkaev

Immanuel Kant Baltic Federal University; Federal Center for High Medical Technologies

Email: agoncharov59@mail.ru

PhD (Medicine), Associate Professor, Department of Surgical Disciplines of the Higher School of Medicine, Institute of Medicine and Life Sciences; Head, Department of Traumatology and Orthopedics

Russian Federation, Kaliningrad; Kaliningrad

V. V. Lobanova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

Junior Researcher, Center for Genomic Research

Russian Federation, Kaliningrad

I. I. Kozenkov

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

Junior Researcher, Center for Genomic Research

Russian Federation, Kaliningrad

E. V. Khaibulin

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

Junior Researcher, Center for Genomic Research

Russian Federation, Kaliningrad

K. Yu. Popadin

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

PhD (Biology), Senior Researcher, Center for Genomic Research

Russian Federation, Kaliningrad

K. V. Gunbin

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: agoncharov59@mail.ru

PhD (Biology), Senior Researcher, Center for Genomic Research

Russian Federation, Kaliningrad

References

  1. 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. RMZh = Russian Medical Journal, 2020, no. 7, pp. 33-38. (In Russ.)]
  2. Середа А.П., Кочиш А.А., Черный А.А., Антипов А.П., Алиев А.Г., Вебер Е.В., Воронцова Т.Н., Божкова С.А., Шубняков И.И., Тихилов Р.М. Эпидемиология эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов и перипротезной инфекции в Российской Федерации // Травматология и ортопедия России, 2021. Т. 27, № 3. C. 84-93. [Sereda A.P., Kochish A.A., Cherny A.A., Antipov A.P., Aliev A.G., Veber E.V., Vorontsova T.N., Bozhkova S.A., Shubnyakov I.I., Tikhilov R.M. Epidemiology of Hip And Knee Arthroplasty and Periprosthetic Joint Infection in Russian Federation. Travmatologiya i ortopediya Rossii = Traumatology and Orthopedics of Russia, 2021, Vol. 27, no. 3, pp. 84-93. (In Russ.)]
  3. 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.
  4. Basu S., Xie X., Uhler J.P., Hedberg-Oldfors C., Milenkovic D., Baris O.R., Kimoloi S., Matic S., Stewart J.B., Larsson N.G., Wiesner R.J., Oldfors A., Gustafsson C.M., Falkenberg M., Larsson E. Accurate mapping of mitochondrial DNA deletions and duplications using deep sequencing. PLoS Genet., 2020, Vol. 16, no. 12, e1009242. doi: 10.1371/journal.pgen.1009242.
  5. Battle S.L., Puiu D.; TOPMed mtDNA Working Group; Verlouw J., Broer L., Boerwinkle E., Taylor K.D., Rotter J.I., Rich S.S., Grove M.L., Pankratz N., Fetterman J.L., Liu C., Arking D.E. A bioinformatics pipeline for estimating mitochondrial DNA copy number and heteroplasmy levels from whole genome sequencing data. NAR Genom. Bioinform., 2022, Vol. 4, no. 2, lqac034. doi: 10.1093/nargab/lqac034.
  6. Cao H., Zhou X., Xu B., Hu H., Guo J., Wang M., Li N., Jun Z. Advances in the study of mitophagy in osteoarthritis. J. Zhejiang Univ. Sci. B, 2024, Vol. 25, no. 3, pp. 197-211.
  7. Debsharma S., Pramanik S., Bindu S., Mazumder S., Das T., Pal U., Saha D., De R., Nag S., Banerjee C., Chandra Maiti N., Ghosh Z., Bandyopadhyay U. NSAID targets SIRT3 to trigger mitochondrial dysfunction and gastric cancer cell death. iScience, 2024, Vol. 27, no. 4, 109384. doi: 10.1016/j.isci.2024.109384.
  8. Del Bo R., Bordoni A., Martinelli Boneschi F., Crimi M., Sciacco M., Bresolin N., Scarlato G., Comi G.P. Evidence and age-related distribution of mtDNA D-loop point mutations in skeletal muscle from healthy subjects and mitochondrial patients. J. Neurol. Sci., 2002, Vol. 202, no. 1-2, pp. 85-91.
  9. Hjelm B.E., Rollins B., Morgan L., Sequeira A., Mamdani F., Pereira F., Damas J., Webb M.G., Weber M.D., Schatzberg A.F., Barchas J.D., Lee F.S., Akil H., Watson S.J., Myers R.M., Chao E.C., Kimonis V., Thompson P.M., Bunney W.E., Vawter M.P. Splice-Break: exploiting an RNA-seq splice junction algorithm to discover mitochondrial DNA deletion breakpoints and analyses of psychiatric disorders. Nucleic Acids Res., 2019, Vol. 47, no. 10, e59. doi: 10.1093/nar/gkz164.
  10. Lacan M., Thèves C., Amory S., Keyser C., Crubézy E., Salles J.P., Ludes B., Telmon N. Detection of the A189G mtDNA heteroplasmic mutation in relation to age in modern and ancient bones. Int. J. Legal Med., 2009, Vol. 123, no. 2, pp. 161-167.
  11. Li M., Schröder R., Ni S., Madea B., Stoneking M. Extensive tissue-related and allele-related mtDNA heteroplasmy suggests positive selection for somatic mutations. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, Vol. 112, no. 8, pp. 2491-2496.
  12. Mazumder S., Bindu S., De R., Debsharma S., Pramanik S., Bandyopadhyay U. Emerging role of mitochondrial DAMPs, aberrant mitochondrial dynamics and anomalous mitophagy in gut mucosal pathogenesis. Life Sci., 2022, Vol. 305,120753. doi: 10.1016/j.lfs.2022.120753.
  13. Mazumder S., De R., Sarkar S., Siddiqui A.A., Saha S.J., Banerjee C., Iqbal M.S., Nag S., Debsharma S., Bandyopadhyay U. Selective scavenging of intra-mitochondrial superoxide corrects diclofenac-induced mitochondrial dysfunction and gastric injury: A novel gastroprotective mechanism independent of gastric acid suppression. Biochem. Pharmacol., 2016, Vol. 121, pp. 33-51.
  14. Wachsmuth M., Hübner A., Li M., Madea B., Stoneking M. Age-related and heteroplasmy-related variation in human mtDNA copy number. PLoS Genet., 2016, Vol. 12, no. 3, e1005939. doi: 10.1371/journal.pgen.1005939.
  15. Wang Y., Michikawa Y., Mallidis C., Bai Y., Woodhouse L., Yarasheski K.E., Miller C.A., Askanas V., Engel W.K., Bhasin S., Attardi G. Muscle-specific mutations accumulate with aging in critical human mtDNA control sites for replication. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2001, Vol. 98, no. 7, pp. 4022-4027.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Goncharov A.G., Jigkaev A.K., Lobanova V.V., Kozenkov I.I., Khaibulin E.V., Popadin K.Y., 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».