Новые данные о создании энергостанций организма — митохондрий
Международная группа учёных впервые раскрыла, как создаются энергопроизводители нашего тела, с помощью крио-электронной микроскопии (cryo-EM) в центре eBIC в комплексе Diamond (Оксфордшир).
Новое исследование в журнале Science даёт представление о молекулярном механизме синтеза мембран-связанных белков в митохондриях. Это фундаментально новое понимание работы человеческой миторибосомы, которое может объяснить, как на неё влияют мутации и нарушения, ведущие к расстройствам (например, глухоте) и болезням, включая развитие рака.
Митохондрии — внутриклеточные органеллы, которые служат крошечными, но мощными энергостанциями. Они используют вдыхаемый кислород и производные от пищи для выработки более 90% нашей энергии. Они особенно важны для органов с высоким энергопотреблением: сердца, печени, мышц и мозга. Например, почти 40% клетки сердечной мышцы состоит из митохондрий.
Основное производство энергии происходит в нанофабриках, встроенных в специализированные мембраны. Эти нанофабрики состоят из белков, которые транспортируют ионы и электроны для генерации химической энерговалюты организма. Для поддержания этого процесса митохондрии имеют собственную белкосинтезирующую машину — миторибосому. Первое фундаментальное понимание её строения было достигнуто в 2014 году.
«7 лет назад нашу работу по миторибосоме дрожжей назвали "Революцией разрешения". Текущее исследование представляет собой дополнительный прорыв. Оно не только показывает, как устроена человеческая миторибосома с беспрецедентной детализацией, но и объясняет молекулярный механизм, управляющий процессом биоэнергетики, питающей жизнь», — говорит ведущий автор Алексей Амунц.
Термин «Революция разрешения» был введён журналом Science в связи с первым успешным определением структуры миторибосомы. Однако это давало лишь частичную картину статичной модели. Миторибосома — гибкая молекулярная машина, требующая движения своих частей.
В текущем исследовании команда использовала высокопроизводительный сбор данных cryo-EM в центре eBIC (electron Bio-Imaging Centre) в Diamond, получив в 30 раз больше данных. Это позволило описать конформационные изменения во время синтеза белка и связывания с мембранным адаптером.
«Наше исследование выявило динамический молекулярный механизм, объясняющий, как миторибосома фактически работает для формирования клеточной энергостанции. Оно показывает, что миторибосома гораздо более гибкая и активная, чем считалось ранее. Обнаруженные внутренние конформационные изменения представляют собой затворный механизм (gating mechanism) миторибосомы, не имеющий аналогов в бактериальных и цитозольных системах», — добавляет Алексей Амунц.
Юрий Чабан, ведущий специалист по электронной микроскопии в eBIC, Diamond, комментирует:
«Самым важным аспектом работы Алексея является взаимодействие между миторибосомой и OXA1L и связанная с этим гибкость. Эта гибкость важна для синтеза мембранных белков, включая белки дыхательной цепи. В целом, эта работа значительно расширяет наше понимание того, как функционирует миторибосома».
Секвенирование человеческого митохондриального генома 40 лет назад стало поворотным моментом, постулировавшим специализированный механизм синтеза трансмембранных белков митохондрий. Обнаруженный затворный механизм человеческой миторибосомы представляет собой уникальное явление. Таким образом, структурные данные дают фундаментальное понимание того, как биоэнергетические белки синтезируются в нашем теле.