Модульная сборка: новые данные о белковых фабриках в митохондриях человека
Митохондрии, "электростанции" живых клеток, вероятно, возникли в результате эндосимбиоза: бактерия мигрировала в первобытную клетку и со временем превратилась в органеллу, снабжающую клетку энергией. Митохондрии сами производят часть необходимых им белков — с помощью особых белковых фабрик, миторибосом, состоящих из РНК и белков.
Исследователи из Гёттингена представили "дорожную карту", показывающую, как клетки модульным образом собирают человеческие миторибосомы. Исследование опубликовано в журнале Nature Structural & Molecular Biology.
Эволюционное наследие
Партнёрство, начавшееся почти два миллиарда лет назад, когда первобытная клетка приняла свободноживущую бактерию, определило развитие всех сложных организмов. Бактерия превратилась в энергетического специалиста — митохондрию, которая с помощью кислорода преобразует пищу в энергию через дыхательную цепь.
В ходе эволюции большая часть ДНК бывшего бактериального генома была интегрирована в геном ядра клетки. Лишь небольшая часть, включая чертежи ключевых белков дыхательной цепи, осталась в митохондриальной ДНК.
Важность миторибосом
Эти белки производятся непосредственно в митохондрии уникальными для этого органелла миторибосомами. Нарушение сборки миторибосом приводит к дефициту основных белков дыхательной цепи, что вызывает серьёзные ранние заболевания.
Сборка миторибосом — сложный логистический вызов для клетки, так как инструкции для их строительных блоков закодированы в двух разных геномах:
- Рибосомальная РНК — в митохондриальном геноме.
- 82 рибосомальных белка — в ядерном геноме (производятся в цитоплазме и импортируются в митохондрии).
Дорожная карта сборки
Исследовательские группы под руководством Рикарды Рихтер-Деннерляйн (Университетский медицинский центр Гёттингена, UMG), а также Юлиане Липе и Хеннинга Урлауба (Институт Макса Планка) впервые составили полную "дорожную карту" сборки человеческих миторибосом — от ранних до поздних этапов.
Учёные применили мультидисциплинарный подход, объединив:
- Биохимические эксперименты по выделению промежуточных комплексов.
- Данные количественной масс-спектрометрии (группа Урлауба).
- Результаты математического моделирования (группа Липе).
Принцип модульной сборки
Исследование показало, что процесс сборки удивительно модульный:
- Импортированные в митохондрии рибосомальные белки сначала собираются в белковые модули.
- Эти модули производятся в избытке и всегда доступны.
- Затем они координированно собираются на соответствующей части рибосомальной РНК с помощью специальных факторов, формируя функциональную миторибосому (состоящую из двух субъединиц разного размера).
Ключевой вывод: производство рибосомальной РНК в митохондриях лимитирует всю сборку миторибосом. Если РНК производится слишком мало, формирование белковой фабрики останавливается. Это объясняет, как митохондрии справляются с задачей сборки структуры двойного генетического происхождения.
Полученные данные помогут лучше понять механизмы сборки/разборки митохондриальной белковой фабрики и нарушения, ведущие к болезням.