Почему митохондрии выглядят именно так?

Одна из главных задач современной биологии — объяснить структуру крист, внутренних мембран митохондрий. Объяснение в данном случае — это набор принципов, позволяющих предсказать, какую форму примут кристы после базовых метаболических манипуляций со средой, в которой находятся митохондрии. Эти принципы станут описанием истинной функции митохондрий, которая до сих пор изучена лишь фрагментарно.

Новые методы, такие как суперразрешающая световая микроскопия живых клеток и электронная томография, позволили по-новому взглянуть на динамическое поведение крист. Теперь можно построить детальную архитектуру всего объёма митохондрии из серии наклонных изображений, которые обратно проецируются для создания 3D-томограмм.

В недавней статье в Open Biology (The Royal Society) исследователи объясняют биогенез крист через скоординированную деятельность четырёх основных эволюционно консервативных путей (от протистов и дрожжей до высших эукариот):

1. Димеризация и олигомеризация АТФ-синтазы на краях крист.

   • Спонтанная димеризация АТФ-синтазы (комплекс V) под строго определёнными, видоспецифичными углами в упорядоченные ряды диктует базовую геометрию.
   • Избыток ADP вызывает конденсированную конформацию с большими, раздутыми внутрикристальными пространствами. При ограничении ADP митохондрии принимают ортодоксальную конформацию со сжатым внутрикристальным пространством.
   • Субъединицы Atp20 и Atp21 строго необходимы для правильного формирования крист.

2. Сборка системы MICOS (mitochondrial contact site and cristae organizing system) в соединениях крист.

   • Критические белки, такие как из семейства генов MIC60, присутствуют уже у эндосимбиотических предшественников митохондрий — α-протеобактерий.
   • Виды, упростившие митохондрии до отсутствия крист, также не имеют генов, связанных с MICOS.

3. Ремоделирование мембран GTPазами, родственными динамину (Mgm1 у дрожжей, OPA1 у млекопитающих).

   • Эти белки координируют слияние и деление внутренней и внешней мембран.
   • Их активность зависит от взаимодействия как с комплексом MICOS, так и с системами транслокаторов мембран TIM и TOM.

4. Корректировка липидного состава мембраны.

   • Митохондрии работают с тремя основными фосфолипидами: кардиолипином, фосфатидилэтаноламином и фосфатидилхолином.
   • Распределение липидов опосредуется транспортными белками семейства Ups/PRELI в межмембранном пространстве.

Митохондрии не создают геометрию с нуля, а используют и надстраивают естественные физические формы, возникающие в липидах спонтанно. Точные измерения показали, что отдельные кристы функционально независимы и могут иметь существенно разные мембранные потенциалы.

Формирование крист — это тесное взаимодействие четырёх описанных механизмов. Например, активность комплекса MICOS и димеризация АТФ-синтазы одновременно кооперативны и антагонистичны: MICOS индуцирует отрицательную кривизну мембраны, а АТФ-синтаза — положительную на кончиках и краях крист. Новые вычислительные модели, разрабатываемые в лабораториях по всему миру, где можно точно настраивать соотношения этих компонентов, помогут определить, что контролирует форму митохондрий.