Аудит клеточной энергии выявил производителей и потребителей энергии
Аденозинтрифосфат (ATP) — это клеточная энергетическая валюта. Слишком высокий или слишком низкий уровень ATP в некоторых типах клеток связан с различными заболеваниями. Однако учёным не хватало понимания того, как клетки регулируют уровень ATP в широком масштабе.
Исследователи из Институтов Гладстона провели масштабный и детальный аудит клеточной энергии: они проанализировали каждый ген в геноме человека, чтобы определить те, которые управляют производством или потреблением энергии. Результатом стала коллекция данных под названием "ATPome".
"Практически все клеточные функции требуют энергии, но до нашего исследования у нас было очень мало знаний о том, как восстановить энергию в клетках, когда её уровень нарушен", — сказал старший автор исследования Кен Накамура.
Исследование имеет значение для лечения широкого спектра расстройств, включая нейродегенеративные заболевания (болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера), митохондриальные нарушения, болезни сердца, диабет и рак.
Методология исследования
В новом исследовании команда использовала:
- Химический сенсор для количественного определения количества ATP в отдельных клетках.
- Технологию редактирования генов CRISPR для избирательного снижения или повышения экспрессии почти каждого гена в геноме человека по одному.
- Эксперименты в трёх различных метаболических условиях, заставляя клетки полагаться на разные пути производства ATP.
Ключевые результаты
- Выявлены новые гены и пути, которые помогают повысить клеточную энергию, либо способствуя производству энергии, либо замедляя её потребление.
- Источник топлива клетки является критическим фактором, определяющим, какие гены необходимы для поддержания уровня ATP.
- Лучшее понимание того, как энергия потребляется, может привести к новым способам регулирования уровня ATP при заболеваниях (например, при инсульте или инфаркте).
- Обнаружена новая роль критического молекулярного пути HIF1. Он сильно подавляет производство ATP даже в условиях нормального содержания кислорода. Это означает, что торможение HIF1 может быть одним из способов увеличения производства энергии митохондриями.
Значение и перспективы
Новая база данных ATPome, вероятно, будет иметь широкую полезность для учёных, изучающих роль клеточной энергии в заболеваниях. Манипулирование клеточной энергией может помочь:
- Ограничить количество энергии, доступное раковым клеткам.
- Увеличить ATP в клетках мозга, поражённых нейродегенерацией.
"Мы составили базовую схему того, как гены играют роль в производстве, потреблении и, возможно, дисфункции энергии", — сказал Накамура.
Лаборатория Накамуры сотрудничает с другими исследователями для изучения того, как использование энергии может отличаться:
- В мозге, поражённом болезнью Паркинсона или Альцгеймера.
- В сердце — органе, требующем больших количеств энергии и подверженном энергетической недостаточности.
- При раке, который может подпитываться избыточной энергией.
Статья "Defining the ATPome Reveals Cross Optimization of Metabolic Pathways" была опубликована в журнале Nature Communications 28 августа 2020 года.