Исследование раскрывает механизм сигнал-зависимого формирования митохондрий
Митохондрии, известные как энергетические станции клетки, играют ключевую роль в метаболизме человека. Они состоят из 1300 различных белков и двух жирных биомембран. Подавляющее большинство митохондриальных белков синтезируется с кливабельным транспортным сигналом и должно активно транспортироваться внутрь митохондрий.
С помощью биохимических и клеточно-биологических экспериментов исследовательская группа впервые детально показала, как митохондриальные белки с сигнальными последовательностями импортируются в митохондрии через уникальную отрицательно заряженную бороздку.
Работа выполнена под руководством проф. д-ра Нильса Видемана и проф. д-ра Каролы Хунте с медицинского факультета Университета Фрайбурга и проф. д-ра Мартина ван дер Лаана из Университета Саарланда в рамках кластера передового опыта CIBSS. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Транспортный механизм — важный строительный блок
«Спустя 40 лет после открытия митохондриальных сигнальных последовательностей наши эксперименты раскрыли точный механизм транспорта белков и постепенного построения энергостанций наших клеток», — говорит Видеман. «Информация о транспортном механизме для митохондриальных белков — важный компонент фундаментальных клеточных исследований». Нарушения функций более 500 митохондриальных белков вызывают множество заболеваний, что делает исследования митохондрий крайне важными для медицины.
Было известно, что для импорта митохондриальных белков в матрикс используется транслоказа сигнальной последовательности внутренней мембраны (TIM). Две жизненно важные ключевые субъединицы этой транслоказы — Tim17 и Tim23. Ранее предполагалось, что белки с сигнальными последовательностями транспортируются через внутреннюю мембрану по водонаполненному каналу Tim23. Однако недавние предсказания структур на основе искусственного интеллекта указывают, что Tim23 не формирует канал. Исследовательская группа доказала, что митохондриальные белки с сигнальными последовательностями на самом деле импортируются в митохондрии через бороздку в белке Tim17.
Отрицательно заряженная бороздка в белке Tim17
Большинство транспортируемых в митохондрии белков содержат сложную молекулярную сигнальную последовательность: с одной стороны она положительно заряжена и водорастворима, а с противоположной — имеет жирорастворимые молекулярные остатки. В отличие от положительно заряженной стороны транспортного сигнала, бороздка Tim17 содержит сильно отрицательно заряженную область, которая присутствует во всех белках Tim17 — от дрожжей до человека.
Ведущие авторы исследования, д-р Лаура Филден и д-р Якоб Буш из Института биохимии и молекулярной биологии Университета Фрайбурга, использовали функциональные in vitro транспортные эксперименты с химически мечеными белками и изолированными митохондриями. Они показали, что отрицательные заряды в бороздке Tim17 взаимодействуют с положительно заряженными сигнальными последовательностями и, следовательно, необходимы для транспорта митохондриальных белков. При этом жирорастворимая сторона сигнальной последовательности ориентирована на липидную мембрану, что позволяет осуществлять транспорт сигнальных последовательностей на границе раздела между Tim17 и внутренней митохондриальной мембраной.
«Теперь, когда мы выяснили этот фундаментальный механизм для митохондриальных белков с сигнальной последовательностью на границе с биомембраной, мы можем понять, почему эти последовательности имеют одну положительно заряженную и одну жирорастворимую сторону и нуждаются в этом для своего транспорта», — поясняет Филден, подчеркивая важность результатов, которые теперь могут служить основой для дальнейших исследований митохондрий.