Митохондриальные кооперативы

Митохондрии — органеллы, снабжающие клетку энергией, — высокодинамичны и могут объединяться в сложные трубчатые сети. Новое исследование показывает, что такая реакция может временно компенсировать недостаток производства энергии.

В клетках животных митохондрии производят большую часть энергии, необходимой для роста и деления, в форме универсальной биологической энергетической единицы — АТФ. В этих ограниченных мембраной органеллах, имеющих собственный небольшой геном, протекают и многие другие важные метаболические процессы. Они также играют ключевую роль в клеточном старении и запрограммированной гибели клеток. В учебниках их часто изображают в форме бобов. Однако в последние годы стало ясно, что морфология митохондрий крайне динамична. Отдельные митохондрии могут многократно сливаться, образуя разветвлённые трубчатые сети, форма которых варьируется в зависимости от типа клетки. Например, митохондрии в мышечных клетках соединяются в длинные кабели.

Сыр вместо кабелей

«Почему митохондрии демонстрируют такое разнообразие форм и структур — один из самых увлекательных открытых вопросов в клеточной биологии», — говорит Барбара Конрадт, профессор клеточной биологии и биологии развития в LMU. Вместе с постдоком Стефаном Ролланом и другими членами своей группы Конрадт пытается понять функциональное значение морфологического разнообразия митохондрий. Команда использует в качестве модельной системы нематоду Caenorhabditis elegans, и их последняя работа сосредоточена на мутанте, у которого мышечные митохондрии не могут формировать типичные кабели из-за частичной инактивации ядерного гена mma-1. «Вместо того чтобы соединяться в чётко определённые кабели, митохондрии мутанта переусердствуют и подвергаются гиперфузии, образуя крупную структуру, которая больше похожа на кусок швейцарского сыра», — говорит Конрадт.

Потеря mma-1 также нарушает функцию белкового комплекса, участвующего в синтезе АТФ в митохондриях. Тем не менее, к своему удивлению, исследователи обнаружили, что мутантные клетки производят примерно такое же количество АТФ, как и нормальные клетки, несмотря на то, что производят лишь половину белкового продукта, кодируемого геном mma-1. «Мы сделали из этого вывод, что гиперфузия повышает эффективность синтеза АТФ», — говорит Конрадт. Эта идея подтверждается тем, что ингибирование гиперфузии делает мутанта mma-1 нежизнеспособным.

Митохондрии и нейродегенерация

В сотрудничестве с Констанцей Винкльхофер Конрадт и её коллеги обнаружили тот же фенотип гиперфузии в клетках млекопитающих, у которых был частично инактивирован гомолог mma-1 — ген LRPPRC. Как и у C. elegans, гиперфузия может временно компенсировать дефекты в производстве АТФ. Через несколько дней после инактивации гена выработка энергии в мутантных клетках прекращается. «Впервые показано, что гиперфузия представляет собой попытку противодействовать последствиям генетического дефекта в митохондриальном производстве энергии. Вероятно, это работает лишь ограниченное время, потому что вовлечённая мутация также негативно влияет на другие функции митохондрий», — предполагает Конрадт.

Интересно, что мутации в LRPPRC млекопитающих связаны с одной из форм синдрома Ли — серьёзного нейродегенеративного расстройства, характеризующегося нарушением митохондриального энергетического метаболизма. «Таким образом, наши выводы явно имеют медицинское значение и могут привести к новым представлениям об этом заболевании, поскольку наш мутант C. elegans предоставляет отличную экспериментальную модель для изучения его патогенеза», — говорит Конрадт. Она и её команда теперь проверят, приведёт ли стимуляция производства АТФ митохондриями к обращению фенотипа гиперфузии. Если таким образом можно будет восстановить достаточное количество функциональных митохондрий, организм, возможно, сможет долгосрочно компенсировать дефекты в mma-1/LRPPRC.