Митохондрии обеспечивают организм энергетической валютой — аденозинтрифосфатом (АТФ), который запускает все процессы в теле. Для производства АТФ митохондрии потребляют около 95% вдыхаемого кислорода. Этот процесс происходит в так называемой дыхательной цепи митохондрий, которая состоит из множества отдельных белков.
Сбои в дыхательной цепи приводят к серьёзным и зачастую смертельным заболеваниям, которые могут поражать скелетные мышцы, нервные клетки и сердце.
У митохондрий есть собственный генетический материал — митохондриальная ДНК, или мтДНК. Она необходима для производства 13 центральных белков дыхательной цепи. Многие наследственные митохондриальные заболевания вызваны дефектами в мтДНК, которые приводят к нарушению функции дыхательной цепи и, следовательно, к сбоям в энергоснабжении клетки.
Как мтДНК считывается и транслируется в белки, пока недостаточно изучено. Причина в том, что в настоящее время нет методов, позволяющих влиять на производство белков в митохондриях.
Исследователи под руководством профессора доктора Петера Рехлинга, директора отдела клеточной биохимии в Университетском медицинском центре Гёттингена (UMG) и члена Гёттингенского кластера передового опыта «Мультимасштабное биоизображение: от молекулярных машин до сетей возбудимых клеток» (MBExC), сделали шаг вперёд: им удалось разработать новую технологию, позволяющую изменять производство белков в митохондриях живых клеток.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Полученные знания позволяют понять фундаментальные принципы клеточного энергопроизводства и сделать выводы о развитии митохондриальных заболеваний.
Процесс производства ключевых белков дыхательной цепи в митохондриях очень сложен. Дефекты в этом процессе могут привести к различным нарушениям, включая сердечно-сосудистые заболевания и нарушения нервной системы.
«Чтобы понять молекулярные механизмы производства белков в митохондриях, нам нужны экспериментальные подходы, позволяющие влиять на отдельные этапы процесса», — говорит профессор Рехлинг, старший автор публикации.
«Такие технологии помогают нам понять, как нарушения биологического процесса влияют на клетки. Мы также можем использовать их для изучения реакции клеток на такие воздействия, чтобы компенсировать их». Однако до сих пор экспериментальных стратегий для изучения производства белков в митохондриях не существовало.
Установившиеся методы, такие как CRISPR, которые могут быть использованы для специфического изменения генетического материала, не работают в митохондриях, поскольку митохондриальная мембрана представляет собой непреодолимый барьер для «генетических ножниц».
Новая технология, разработанная исследователями в Гёттингене, преодолевает митохондриальный барьер. Они используют химически модифицированный небольшой фрагмент белка, известный как химера. Он содержит необходимую информацию, своего рода «почтовый индекс», для проникновения в митохондрии. Попав туда, он специфически вмешивается в процесс производства белков.
Чтобы белок был создан, сначала должна быть создана копия генетического материала, в данном случае мтДНК. Эта копия содержит план создаваемого белка. Химера была сконструирована таким образом, чтобы заранее специфически присоединяться к плану выбранного белка, блокируя дальнейшие шаги в производстве функционального белка. Таким образом можно исследовать, как меняется метаболизм клетки, когда определённые белки больше не производятся.
Исследователи также смогли повлиять на производство белков в митохондриях клеток сердечной мышцы и печени.
«С помощью новой технологии впервые стало возможно исследовать, как клетки реагируют на очень специфические нарушения в производстве белков», — говорит доктор Луис Даниэль Крус-Сарагоса, руководитель группы в Институте клеточной биохимии в UMG и первый автор исследования.
«Это открывает совершенно новые возможности для понимания развития митохондриальных заболеваний и разработки на этой основе новых методов лечения».
Источник: Universitätsmedizin Göttingen.