Полная характеристика митохондриального кинома

Человеческий клеточный кином включает более 500 киназ, что составляет почти 2% всех наших генов. В настоящее время невозможно оценить фосфорилирование или даже потенциал фосфорилирования всего протеома любой клетки. Митохондрии же используют всего 25 киназ. Более того, их полный протеом содержит лишь 1136 белков, согласно последней версии базы данных Mitocarta.

Поскольку митохондрии сохраняют собственные версии многих так называемых центральных догматических и других ключевых метаболических процессов, обнаруженных в цитозоле и ядре, они представляют собой более управляемую микромодель клетки-хозяина. В свете этих фактов назрел вопрос: можем ли мы теперь полностью понять масштаб всех взаимодействий в митохондриальном киноме?

В недавнем обзоре в журнале Life исследователи определяют текущее состояние дел в области фосфорилирования митохондриальных белков. Протеомные исследования показали, что ~40% органеллярного протеома подвергается посттрансляционным модификациям киназами. Критерием того, дает ли всё более детальное описание состояния фосфорилирования митохондрий полезные знания, является то, что оно может рассказать нам о здоровье и болезнях. Иными словами, что митохондриальный кином может рассказать прямо сейчас о потенциальной помощи в решении проблем рака, диабета, сердечной дисфункции, старения и нейродегенеративных или редких заболеваний?

С самого начала есть несколько вещей, которые мы хотим знать. Локализация киназы — в матриксе, во внутренней или внешней мембране, или в межмембранном пространстве — показывает, на каких партнеров она может воздействовать. Обычно можно определить способ попадания в митохондрии, посмотрев на её конкретную митохондриальную сигнальную последовательность (MLS), которая направляет их к специфическим транспортерам на разных мембранах. К сожалению, у большинства митохондриальных киназ вообще нет MLS, и поэтому они должны находить более творческие способы доступа к митохондриям.

Например, некоторые киназы "захватывают" белки, встроенные во внешнюю мембрану, и используют их в качестве каркаса для проникновения. Цитозольная киназа Jun N-конца взаимодействует таким образом с мембраносвязанным белком Sab, который сам является субстратом для p38 MAPK. Аналогично, цАМФ-зависимая протеинкиназа A (PKA) может заякориваться на внешней мембране с помощью A-киназных якорных белков AKAP1. Белок AKAP1 также фосфорилируется AMPK, у которой есть еще два других митохондриальных субстрата: ACC2 (ацетил-КоА-карбоксилаза 2) и фактор деления митохондрий (MFF). Единственные киназы, у которых пока обнаружены настоящие MLS-последовательности, — это PINK1, PAK5 (p21-активируемая киназа 5) и креатинкиназа.

Киназы могут контролировать сам процесс импорта в митохондрии двумя важными способами. Они либо фосфорилируют митохондриальные сигнальные пре-последовательности белков до их импорта, либо непосредственно модифицируют белки импорта транслоказ TIM-TOM, комплекса PAM (мотор импорта белков) или SAM (машина сортировки и сборки). Во внешней мембране, помимо упомянутых выше, содержатся другие серин/треонин-специфичные киназы, а именно: ERK1/2, CDK5, LRRK2, mTOR, CAMK, CDK11, казеинкиназы 1 и 2 (CK1, CK2) и три изоформы протеинкиназы C (PKC α, PKC δ и PKC ε).

Синтез стероидных гормонов в митохондриях лимитируется скоростью переноса холестерина от внешней к внутренней мембране. При гормональной стимуляции стероидогенный острый регуляторный белок (StAR) перемещается с внутренней или внешней мембраны при слиянии митохондрий, где активируется двойным действием PKA и ERK1/2. Консенсусные сайты фосфорилирования серина в StAR консервативны у всех эукариот. Другой ключевой метаболический процесс, контролируемый фосфорилированием, происходит в пируватдегидрогеназном комплексе (PDC) на внутренней митохондриальной мембране. PDC — одна из крупнейших и наиболее сложных мультиферментных систем, и его активность контролируется множеством обратимых фосфорилирований.

Возможно, наиболее значимая функция митохондрий, контролируемая киназами, — это окислительное фосфорилирование. Авторы представляют интригующий анализ общей картины фосфорилирования для всех пяти комплексов дыхательной цепи. Пропускную способность электронов в дыхательной цепи можно контролировать через активацию протеаз, которые регулируют количество активных комплексов. Эти же протеазы также контролируют импорт белков, поскольку они расщепляют MLS-сигналы для активации и сворачивания белков при входе.

Все более популярный подход к пониманию динамики киназ — моделирование. Численные методы могут точно моделировать не только киназы и доступные сайты фосфорилирования, но также потребление и генерацию фосфатных групп из локального диффундирующего пула. Однако трудно игнорировать тот факт, что хемиосмотическое фосфорилирование, основной процесс комплекса V АТФазы, будет доминировать в динамике фосфатов в тесных пределах митохондрий, затмевая вклад фосфорилирований на уровне субстратов для малых молекул и белков и затрудняя точное моделирование.

Чтобы получить представление о масштабе фонового фосфорилирования АДФ в АТФ, рассмотрим, что большая часть кислорода, которым мы дышим, превращается в H₂O в комплексе IV. Это происходит путем добавления двух электронов и двух ионов H⁺ к каждому атому кислорода, что составляет четыре электрона на молекулу O₂. Для всего человеческого тела общий электронный ток только от комплекса IV составит более 100 ампер. Можно предположить, что энергетические потребности человека массой 70 кг составляют около 10 000 кДж. Если стандартная свободная энергия гидролиза, ΔG0', MgATP составляет ~30,5 кДж·моль⁻¹, то индивидуальная потребность составит около 328 моль или 165 кг АТФ в день. Поскольку тело содержит только около 50 г АТФ, каждая молекула АТФ синтезируется и гидролизуется более 3000 раз в день.

Полный спектр активности митохондриального кинома быстро проясняется. Сейчас понятно, что нуклеоиды и миторибосомы являются важными мишенями киназ для контроля поддержания и репарации ДНК, транскрипции и синтеза белка. Процессы более макроскопического масштаба, включая слияние, деление, митофагию и апоптоз, также по крайней мере частично контролируются фосфорилированием. Перевод этих открытий в прямую медицинскую пользу, как это уже сделано для специфических цитозольных киназ, теперь в пределах нашей досягаемости.