Клетки локально производят два класса белков в митохондриях для поддержки энергетического обмена.

Локализованный синтез белков влияет на функции клеток

Член Института Уайтхеда Джонатан Вайсман и его коллеги изучили локализованный синтез, чтобы понять, как он влияет на функции клеток и позволяет им быстро реагировать на изменяющиеся условия.

Вайсман, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте и исследователем HHMI, вместе с постдоком в его лаборатории Цзинчуань Ло расширили наши знания о локализованном синтезе в митохондриях — структурах, генерирующих энергию для клетки. В статье, опубликованной в журнале Cell, они представили новый инструмент LOCL-TL для детального изучения локализованного синтеза и описали открытия, которые он позволил сделать о двух классах белков, локально синтезируемых в митохондриях.

Важность локализованного синтеза в митохондриях

Важность локализованного синтеза в митохондриях связана с их необычным происхождением. Митохондрии когда-то были бактериями, которые жили в клетках наших предков. Со временем бактерии утратили свою автономию и стали частью более крупных клеток, которые включили большинство своих генов в геном клетки в ядре.

Клетки эволюционировали, чтобы обеспечить транспортировку белков, необходимых митохондриям и кодируемых генами в геноме большей клетки, в митохондрии. Митохондрии сохраняют несколько генов в своём геноме, поэтому производство белков из митохондриального генома и генома большей клетки должно быть скоординировано, чтобы избежать несогласованного производства митохондриальных компонентов. Локализованный синтез может помочь клеткам управлять взаимодействием между производством митохондриальных и ядерных белков.

Метод изучения локализованного синтеза

Для синтеза белка генетический код, хранящийся в ДНК, считывается в РНК, а затем РНК считывается или транслируется рибосомой — клеточным механизмом, который строит белок в соответствии с кодом РНК. Лаборатория Вайсмана ранее разработала метод изучения локализованного синтеза путём маркировки рибосом вблизи интересующей структуры, а затем захвата помеченных рибосом в действии и наблюдения за белками, которые они производят.

Этот подход, называемый профилированием рибосом с учётом близости, позволяет исследователям увидеть, какие белки производятся в клетке. Задача, с которой столкнулся Ло, заключалась в том, как адаптировать этот метод для захвата только рибосом, работающих вблизи митохондрий.

Адаптация метода для изучения митохондрий

Рибосомы работают быстро, поэтому рибосома, помеченная во время синтеза белка в митохондриях, может перейти к синтезу других белков в другом месте клетки в течение нескольких минут. Единственный способ гарантировать, что захваченные рибосомы всё ещё работают над белками, синтезированными вблизи митохондрий, — это провести эксперимент очень быстро.

Вайсман и его коллеги ранее решили эту проблему чувствительности ко времени в дрожжевых клетках с помощью инструмента для маркировки рибосом под названием BirA, который активируется присутствием молекулы биотина. Однако этот подход не работает с митохондриями в клетках млекопитающих, потому что им нужен биотин для нормального функционирования, поэтому его нельзя истощить.

Ло и Вайсман адаптировали существующий инструмент так, чтобы он реагировал на синий свет вместо биотина. Новый инструмент LOV-BirA слит с внешней мембраной митохондрий. Клетки держат в темноте, пока исследователи не будут готовы. Затем они подвергают клетки воздействию синего света, активируя LOV-BirA для маркировки рибосом. Они дают им несколько минут, а затем быстро извлекают рибосомы. Этот подход оказался очень точным для захвата только рибосом, работающих в митохондриях.

Исследователи затем использовали метод, первоначально разработанный лабораторией Вайсмана, для извлечения участков РНК внутри рибосом. Это позволило им увидеть, насколько далеко в процессе синтеза белка находится рибосома, когда её захватывают, что может показать, весь ли белок производится в митохондриях или частично производится в другом месте и только затем завершается в митохондриях.

Открытие двух классов локально синтезируемых белков

Исследователи обнаружили, что около 20% генов, необходимых митохондриям и расположенных в основном клеточном геноме, локально синтезируются в митохондриях. Эти белки можно разделить на две отдельные группы с разной эволюционной историей и механизмами локализованного синтеза.

Одна группа состоит из относительно длинных белков, каждый из которых содержит более 400 аминокислот. Эти белки, как правило, имеют бактериальное происхождение и локально синтезируются как в клетках млекопитающих, так и в дрожжевых клетках, что позволяет предположить, что их локализованный синтез сохранялся в течение долгой эволюционной истории.

Вторая группа локально переводимых белков состоит из коротких белков, каждый длиной менее 200 аминокислот. Эти белки являются более эволюционно молодыми, и исследователи обнаружили, что механизм их локализованного синтеза не характерен для дрожжей. Их набор в митохондрии происходит на уровне РНК.

Источник