Биоинженеры открыли механизм регуляции размеров митохондрий

Биоинженеры из UCLA и их коллеги обнаружили новый взгляд на то, как клетки регулируют размеры митохондрий — частей клетки, обеспечивающих энергию, — расщепляя их на более мелкие единицы.

Это открытие, продемонстрированное на белках дрожжей, в перспективе может помочь в решении проблем заболеваний человека, связанных с нарушением регуляции размера митохондрий, например, болезней Альцгеймера или Паркинсона. Поскольку слишком маленькие или слишком большие митохондрии могут приводить к неизлечимым болезням, белки, ответственные за этот процесс, являются потенциальными мишенями для будущей терапии.

Исследование опубликовано в ACS Central Science под руководством профессора биоинженерии UCLA Жерара Вонга.

Внутри клетки митохондрии напоминают длинные шарики для моделирования. Если они становятся слишком длинными, они могут запутаться. Известно, что их размеры регулируются в основном двумя белками, один из которых расщепляет длинные митохондрии на более мелкие. Митохондрии известны как «энергетические станции» клетки, поскольку они преобразуют химическую энергию пищи в форму, полезную для выполнения клеткой всех её функций.

Поддержание оптимального размера митохондрий важно для здоровья клетки. Недостаток регуляторного белка Dnm1 приводит к тому, что митохондрии становятся слишком длинными и запутанными. Избыток Dnm1 приводит к появлению слишком многих коротких митохондрий. В обоих случаях митохондрии становятся практически неэффективными как источники энергии для клетки. Такая ситуация может привести к нарушениям нейроразвития или нейродегенеративным заболеваниям, таким как болезнь Альцгеймера или Паркинсона.

Чтобы лучше понять этот механизм, исследователи использовали разработанный ими в 2016 году подход машинного обучения, чтобы выяснить, как именно белки расщепляют одну митохондрию на две меньшие. Они также применили мощную технику «синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния» на Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, исследовательском объекте Министерства энергетики США, чтобы увидеть, как эти белки деформируют мембраны митохондрий в процессе.

До этого исследования считалось, что эти белки окружают митохондрию, а затем просто сжимают её, разрезая пополам. Команда обнаружила, что процесс более тонкий.

«Когда Dnm1 оборачивается вокруг митохондрии, ранее было показано, что белок физически сжимается и перетягивает её. Мы обнаружили, что когда Dnm1 контактирует с поверхностью митохондрии, он также делает эту область самой митохондрии более податливой и легче поддающейся расщеплению. Эти два эффекта работают рука об руку, делая процесс деления митохондрий эффективным», — сказала Мишель Ли, недавняя выпускница докторантуры по биоинженерии UCLA.

Второй ведущий автор, Эрнест Ли, аспирант программы UCLA-Caltech Medical Scientist Training Program, провёл вычислительный анализ для эксперимента.

«Используя наш инструмент машинного обучения, мы смогли обнаружить скрытую активность Dnm1 по ремоделированию мембраны, что согласуется с нашими рентгеновскими исследованиями. Интересно, что, анализируя дальних родственников Dnm1, мы обнаружили, что белок постепенно развивал эту способность с течением времени», — сказал Эрнест Ли.

«Это очень неожиданный результат — никто не думал, что у этих молекул будет раздвоение личности, причём обе личности необходимы для биологической функции. Многофункциональное поведение, которое мы выявили, может быть правилом, а не исключением для белков», — сказал Жерар Вонг.