Клетки локально производят два класса белков у митохондрий для поддержки выработки энергии
Клетки обеспечивают доставку белков в нужное место через локальный трансляцию — синтез белков рядом с местом их работы. Исследователи под руководством Джонатана Вайсмана изучили этот процесс у митохондрий — структур, генерирующих энергию.
В статье в Cell они представили новый инструмент LOCL-TL для детального изучения локальной трансляции и описали два класса белков, которые синтезируются локально у митохондрий.
Как обнаружить локальный синтез белка
Для изучения локализованной трансляции ранее использовался метод профилирования рибосом с близкой специфичностью. Однако для работы с митохондриями млекопитающих потребовалась адаптация из-за чувствительности к времени: рибосомы быстро перемещаются.
Джинчуань Ло и Вайсман создали инструмент LOV-BirA, который крепится к внешней мембране митохондрий и активируется синим светом. Клетки содержат в темноте, затем кратковременно освещают, что позволяет точно пометить и захватить только те рибосомы, которые работают у митохондрий. Метод также показывает, какая часть белка синтезируется локально.
"Одно преимущество нашего инструмента — предоставляемая детализация. Возможность видеть, какой участок белка локально транслируется, помогает понять больше о регуляции этого процесса", — говорит Ло.
Две группы белков синтезируются у митохондрий
Исследователи обнаружили, что около 20% ядерных генов, необходимых для митохондрий, локально транслируются рядом с ними. Эти белки делятся на две группы с разной эволюционной историей и механизмами.
Длинные белки (>400 аминокислот). Имеют бактериальное происхождение, их локальная трансляция консервативна у млекопитающих и дрожжей. Они содержат митохондриальную сигнальную последовательность (MTS), но лишены ингибирующей последовательности, которая блокирует транспорт до завершения синтеза.
- Синтез начинается в цитоплазме, а после создания примерно первых 250 аминокислот белок транспортируется к митохондрии.
- Остальная часть полипептидной цепи синтезируется и одновременно поступает в импортный канал митохондрии. Это "монополизирует" канал, поэтому клетка может позволить себе такой механизм лишь для избранных белков.
- Учёные предполагают, что приоритет для белков бактериального происхождения — это древний механизм обеспечения их точного производства и размещения.
Короткие белки (<200 аминокислот). Имеют более позднее эволюционное происхождение, и их механизм локализации не обнаружен у дрожжей. Их рекрутирование к митохондриям происходит на уровне РНК через регуляторные последовательности в нетранслируемых областях.
- Исследователи идентифицировали РНК-связывающий белок AKAP1, находящийся у митохондрий, как ключевой для этого рекрутирования.
- При устранении AKAP1 короткие белки синтезировались по всей клетке, что приводило к потере митохондриальных белков, включая компоненты пути окислительного фосфорилирования — основного пути генерации энергии.
В будущих исследованиях Вайсман и Ло планируют глубже изучить, как локальная трансляция влияет на функцию митохондрий и их дисфункцию при заболеваниях. Инструмент LOCL-TL также будет использован для изучения локальной трансляции в других процессах: эмбриональном развитии, нейропластичности и болезнях.
"Этот подход должен быть широко применим к различным клеточным структурам и типам клеток. Нас особенно интересует, какую роль локальная трансляция может играть при нейродегенерации, сердечно-сосудистых заболеваниях и раке", — говорит Вайсман.