Митохондрии — органеллы, ответственные за выработку энергии в клетках человека, — когда-то были свободноживущими организмами, которые нашли свой путь в ранние эукариотические клетки более миллиарда лет назад. С тех пор они плавно слились со своими хозяевами в классическом примере симбиотической эволюции и теперь полагаются на многие белки, вырабатываемые в ядре клетки-хозяина, для правильного функционирования.

Белки на внешней мембране митохондрий особенно важны; они позволяют митохондриям взаимодействовать с остальной частью клетки и играют роль в иммунных функциях и типе запрограммированной клеточной смерти, называемой апоптозом. В ходе эволюции клетки выработали специфический механизм, с помощью которого эти белки, вырабатываемые в цитоплазме клетки, внедряются в митохондриальную мембрану. Но что это был за механизм и какие сотовые игроки были задействованы, долгое время оставалось загадкой.

Новая статья из лабораторий члена Института Уайтхеда Джонатана Вайсмана и профессора Калифорнийского технологического института Ребекки Вурхис предлагает решение этой загадки. Работа, опубликованная 21 октября в журнале Science, показывает, что белок, называемый митохондриальным гомологом-носителем 2, или сокращенно MTCH2, который связан со многими клеточными процессами и даже такими заболеваниями, как рак и болезнь Альцгеймера, отвечает за то, что действует как "дверь" для доступа к различным белкам. митохондриальная мембрана.

"До сих пор никто не знал, что на самом деле делает MTCH2 — они просто знали, что, когда вы теряете его, с клеткой происходят все эти разные вещи", - сказал Вайсман, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте и исследователем Медицинского института Говарда Хьюза. "Было своего рода загадкой, почему этот один белок влияет на так много различных процессов. Это исследование дает молекулярную основу для понимания того, почему MTCH2 был вовлечен в болезнь Альцгеймера и биосинтез липидов, а также деление и слияние митохондрий: потому что он отвечал за внедрение всех этих различных типов белков в мембрану ".

"Сотрудничество между нашими лабораториями имело важное значение для понимания биохимии этого взаимодействия и привело к действительно захватывающему новому пониманию фундаментального вопроса клеточной биологии", - сказал Вурхис.

В поисках двери

Чтобы выяснить, как белки из цитоплазмы — в частности, класс, называемый белками, закрепленными на хвосте, - внедряются во внешние мембраны митохондрий, постдокторант лаборатории Уайтхеда и первый автор исследования Алина Гуна вместе с аспирантом лаборатории Вурхиса Тейлором Стивенсом и постдоком Элисон Инглис решили использовать методику Они использовали метод скрининга CRISPR-интерференции (или CRISPRi), который был изобретен Вайсманом и его сотрудниками.

"Скрининг CRISPR позволил нам систематически избавляться от каждого гена, а затем посмотреть, что произошло [с одним конкретным белком, закрепленным на хвосте]", - сказал Гуна. "Мы нашли один ген, MTCH2, где, когда мы избавились от него, произошло огромное уменьшение количества нашего белка, попадающего в митохондриальную мембрану. Поэтому мы подумали, может быть, это тот самый проход, через который можно войти".

Чтобы подтвердить, что MTCH2 действует как дверной проем в митохондриальную мембрану, исследователи провели дополнительные эксперименты, чтобы наблюдать, что происходит, когда MTCH2 не присутствует в клетке. Они обнаружили, что MTCH2 был необходим и достаточен для того, чтобы позволить закрепленным на хвосте мембранным белкам перемещаться из цитоплазмы в митохондриальную мембрану.

Способность MTCH2 переносить белки из цитоплазмы в митохондриальную мембрану, вероятно, обусловлена его специализированной формой. Исследователи прогнали последовательность белка через Alpha Fold, систему искусственного интеллекта, которая предсказывает структуру белка по его аминокислотной последовательности, что показало, что это гидрофобный белок, идеально подходящий для вставки в маслянистую мембрану, но с единственной гидрофильной канавкой, куда могут проникать другие белки.

"По сути, это похоже на воронку", - сказала Гуна. "Белки поступают из цитозоля, они проскальзывают в эту гидрофильную канавку, а затем перемещаются из белка в мембрану".

Чтобы подтвердить, что эта канавка играет важную роль в функционировании белка, Гуна и ее коллеги провели еще один эксперимент. "Мы хотели поиграть со структурой, чтобы посмотреть, сможем ли мы изменить ее поведение, и мы смогли это сделать", - сказал Гуна. "Мы пошли и произвели единственную точечную мутацию, и этой точечной мутации было достаточно, чтобы действительно изменить поведение белка и его взаимодействие с субстратами. А затем мы пошли дальше и обнаружили мутации, которые сделали его менее активным, и мутации, которые сделали его сверхактивным ".

Новое исследование имеет приложения, выходящие за рамки ответа на фундаментальный вопрос исследования митохондрий. "Из этого вытекает очень много вещей", - сказала Гуна.

Во-первых, MTCH2 вставляет белки, ключевые для типа запрограммированной клеточной смерти, называемой апоптозом, который исследователи потенциально могут использовать для лечения рака. "Мы можем сделать лейкозные клетки более чувствительными к лечению рака, дав им мутацию, которая изменяет активность MTCH2", - сказал Гуна. "Мутация заставляет MTCH2 действовать более "жадно" и вставлять больше элементов в мембрану, и некоторые из тех элементов, которые имеют вставки, похожи на проапоптотические факторы, так что тогда эти клетки с большей вероятностью погибнут, что является фантастическим в контексте лечения рака".

Эта работа также поднимает вопросы о том, как MTCH2 развивал свою функцию с течением времени. MTCH2 произошел от семейства белков, называемых переносчиками растворенных веществ, которые переносят различные вещества через клеточные мембраны. "Нас действительно интересует этот эволюционный вопрос о том, как можно развить новую функцию из старого, вездесущего класса белков?" - сказал Вайсман.

И исследователям еще многое предстоит узнать о том, как митохондрии взаимодействуют с остальной частью клетки, в том числе о том, как они реагируют на стресс и изменения внутри клетки, и как белки в первую очередь попадают в митохондрии. "Я думаю, что [этот документ] - это только первый шаг", - сказал Вайсман. "Это относится только к одному классу мембранных белков — и это не говорит вам обо всех этапах, которые происходят после того, как белки образуются в цитоплазме. Например, как они доставляются в митохондрии? Так что следите за обновлениями — я думаю, мы узнаем, что теперь у нас есть очень хорошая система для открытия этой фундаментальной части клеточной биологии ".