Двойной механизм защиты митохондрий от повреждений, связанных с слиянием
Исследователи из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса обнаружили двойной регуляторный механизм, защищающий целостность митохондрий через совместное действие систем Parkin–PINK1 и OMA1. Исследование показывает, что эти стресс-чувствительные системы контролируют слияние митохондрий в нормальных физиологических условиях. Потеря обоих белков приводит к тяжелым аномалиям митохондрий, нарушению развития и ранней смертности у мышей.
Системы Parkin–PINK1 и OMA1 являются известными сенсорами стресса, активируемыми при дисфункции митохондрий. Parkin (E3 убиквитинлигаза) рекрутируется на внешнюю мембрану митохондрий через фосфорилирование PINK1, способствуя процессам деградации митохондрий. OMA1 — это протеаза внутренней мембраны митохондрий, которая ингибирует слияние, расщепляя GTPазу OPA1.
В исследовании, опубликованном в Nature, анализировалась потеря этих сенсоров стресса на восемнадцати моделях мышей, включая одиночные, двойные и тройные нокауты.
Системные гомозиготные двойные нокауты Parkin и OMA1 проявляли малый размер тела, сниженную двигательную активность, судороги и преждевременную смерть со средней выживаемостью 70 дней. Аналогичный фенотип наблюдался у мышей с нокаутом Pink1 и OMA1.
Исследование морфологии митохондрий с помощью конфокальной микроскопии в десяти субрегионах мозга и восьми основных органах выявило увеличенные митохондрии у мышей с двойным нокаутом, особенно в области варолиева моста/продолговатого мозга и в сердце. Просвечивающая электронная микроскопия подтвердила уменьшение складок внутренней мембраны в этих мегамитохондриях.
Селективное снижение уровня OPA1 или MFN1 значительно улучшало аномалии митохондрий, выживаемость и двигательную активность, тогда как снижение MFN2 не имело эффекта.
Секвенирование РНК варолиева моста/продолговатого мозга показало повышенную экспрессию генов врожденного иммунного ответа у мышей с двойным нокаутом. Высвобожденная митохондриальная ДНК (мтДНК) была обнаружена в цитозоле, активируя путь STING. Тройные нокауты, включающие Stinggt/gt, улучшали выживаемость и размер тела, что подчеркивает роль STING в наблюдаемых иммунных реакциях.
Метаболомный анализ выявил 188 метаболитов без значимых различий между диким типом и двойными нокаутами. Активность ферментов цикла TCA и скорость митохондриального дыхания не изменились, что указывает на то, что метаболическое нарушение не было первичным дефектом.
В печени тройные нокауты (Alb-Drp1flox/floxParkinflox/floxOma1flox/flox) показали усугубленное увеличение митохондрий и нарушение митофагии по сравнению с нокаутами только Drp1. Эти дефекты коррелировали с повышенным уровнем аланинаминотрансферазы в сыворотке, указывая на повреждение печени.
Анализ мотонейронов показал снижение их количества в грудном и поясничном отделах спинного мозга у двойных нокаутов, что объясняет двигательные дефициты. Дофаминергические нейроны в черной субстанции и уровень дофамина в стриатуме не были затронуты.
Результаты демонстрируют, что Parkin–PINK1 и OMA1 контролируют события на внешней и внутренней мембранах, компенсируя друг друга при необходимости и совместно предотвращая избыточное слияние митохондрий, поддерживая их структуру и целостность генома. Потеря обоих путей нарушает динамику митохондрий, запуская иммунные реакции и дисфункцию органов, что указывает на критическую важность этого двойного регуляторного механизма для развития, физиологии и выживания животных.