Исследование раскрывает новый механизм взаимодействия между митохондриальной и цитоплазматической трансляцией

Белки — фундаментальная основа жизни. Генетический код, направляющий синтез белка, хранится в ДНК. По команде клетки код передается с ДНК на мРНК, а затем информация с мРНК переносится на белок.

В клетках млекопитающих есть две системы трансляции белка: цитоплазматическая и митохондриальная. Обе состоят из рибосом, тРНК и факторов трансляции, которые переводят информацию с мРНК в функциональный белок. Однако механизм координации между этими системами оставался загадкой.

11 апреля 2016 года в журнале Nature Structural & Molecular Biology была опубликована статья "Mammalian Elongation Factor 4 Regulates Mitochondrial Translation Essential for Spermatogenesis", описывающая механизм взаимодействия между митохондриальной и цитоплазматической трансляцией.

Митохондриальный фактор элонгации трансляции 4 (mtEF4) — это фактор контроля качества синтеза белка. Хотя этот белок высоко консервативен в эволюции, предыдущие нокауты гена mtEF4 у модельных организмов не показывали значительных фенотипических изменений.

В данном исследовании, используя модель системного нокаута гена mtEF4 у мышей, ученые обнаружили, что удаление этого гена нарушает функцию окислительного фосфорилирования в половых клетках самцов, что приводит к мужскому бесплодию.

Дальнейшее изучение показало, что скорость митохондриальной трансляции белка возрастала после нокаута mtEF4. Однако платой за это стал более низкий "процент брака" и более короткий период полураспада белков. Чтобы угнаться за "ускоренной" митохондриальной трансляцией, соматические клетки активировали сигнальный путь mTOR, чтобы ускорить цитоплазматическую трансляцию и сбалансировать митохондриальную. Таким образом соматические клетки успешно компенсировали негативное влияние высокой скорости митохондриальной трансляции.

В отличие от них, в клетках зародышевой линии сигнальный путь mTOR активироваться не мог. В результате в них нарушилась сборка митохондриальных комплексов, процесс созревания сперматозоидов остановился на стадии круглых сперматид, что в итоге привело к мужскому бесплодию.

Это исследование раскрывает новый механизм обмена информацией внутри клетки: сигнальный путь mTOR балансирует динамику между митохондриальной и цитоплазматической трансляцией. Когда скорость митохондриальной трансляции возрастает, активируется путь mTOR, что вызывает увеличение скорости цитоплазматической трансляции для противодействия возросшей нагрузке со стороны митохондрий. Это представляет собой новый механизм эволюционной адаптации. Кроме того, работа выявила новую причину мужского бесплодия, что имеет большое значение для его клинического лечения.

Исследование проведено в сотрудничестве нескольких институтов, включая Институт биофизики (IBP), Институт зоологии, Академию военно-медицинских наук, Тяньцзиньский университет науки и технологий. Институт биофизики и Университет Китайской академии наук указаны как первое и второе учреждения соответственно. Профессор Цинь Янь (IBP) является автором-корреспондентом. Гао Яньянь и Бай Сюфэн — соавторы, внесшие равный вклад. Работа поддержана Министерством науки и технологий Китая, Национальным фондом естественных наук и ключевыми проектами Китайской академии наук.