Почти каждая клетка нашего тела зависит от митохондрий, чтобы выжить и правильно функционировать. Митохондрии обеспечивают 90% энергии организма, но менее известна их роль в передаче сигналов в клетках и в устранении дефектных клеток, что важно для предотвращения рака.
Митохондрии, похожие на маленькие колбаски, извиваются внутри клеток, делятся, отделяя кусочки в процессе, называемом делением (fission), и объединяются друг с другом, также известном как слияние (fusion), чтобы удовлетворить сложные энергетические потребности клетки. Слишком частое деление приводит к появлению множества митохондрий маленького размера; слишком частое слияние — к появлению множества митохондрий большого размера. Нарушение баланса между делением и слиянием связано с серьёзными заболеваниями сердца, лёгких и мозга, а также с раком и диабетом.
Шансы на борьбу с болезнями
Возможности борьбы с заболеваниями путём коррекции подобных дисбалансов были ограничены, поскольку механизмы деления митохондрий оставались загадкой. Но теперь человечество может быть ближе к разгадке этой тайны благодаря международному научному сотрудничеству между биоинженерами, физиками, биомедицинскими инженерами и биохимиками под руководством Института Калифорнийских наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (CNSI).
В паре исследований, опубликованных в Journal of the American Chemical Society, команда поделилась своим новым открытием, подробно описывающим, как митохондрии делятся, что открывает потенциал для новых методов лечения.
Согласно исследователям, митохондрии делятся в два этапа. Они обнаружили, что на каждом этапе один и тот же белок используется по-разному.
«Если мы поймём основной белковый механизм, регулирующий деление, возможно, мы сможем понять, что происходит, когда этот механизм работает неправильно», — сказала Халех Алимохамади, постдокторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и первый автор одного из исследований. «В определённых заболеваниях понимание того, как мутации блокируют деление, может привести к новым персонализированным методам лечения».
Прерывания в делении митохондрий
Прерывания в делении митохондрий связаны с некоторыми из наиболее распространённых, смертельных или инвалидизирующих заболеваний: сердечно-сосудистыми заболеваниями, раком, диабетом, болезнями Паркинсона и Альцгеймера, боковым амиотрофическим склерозом и дефектами развития. Новое открытие может предложить пути решения этих проблем.
«Мы знаем, что если эта способность митохондрий изменять длину каким-то образом нарушается, то возникают всевозможные заболевания», — сказал член CNSI Джерард Вонг, профессор биоинженерии в Инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «В то же время мы только начинаем понимать митохондриальное деление и его связь со здоровьем человека. Вероятно, существуют связи с вирусными инфекциями и всеми заболеваниями старения».
Исследователи использовали машинное обучение, эксперименты с генетической инженерией и передовую рентгеновскую визуализацию, а также компьютерные модели молекулярных взаимодействий. Они обнаружили, что белки из суперсемейства динаминов объединяются, чтобы спиралью обвивать митохондрию, как каркас, и сжимать её эластичную мембрану, образуя узкое горлышко. Этот процесс соответствует модели, предполагающей, что деление обусловлено сужением белков динамина. Однако само по себе сужение никогда не наблюдалось экспериментально как вызывающее деление.
Затем происходит то, что соответствует конкурирующей, почти противоположной модели, которая утверждает, что деление обусловлено не сборкой (и сжатием), а разборкой спирального каркаса на свободно плавающие белки динамина.
Исследовательская группа показала, что плавающие белки динамина действительно вызывают деление, но только после того, как митохондрии были предварительно сжаты до узкой трубки. Свободно плавающие белки затем переворачиваются и используют свою форму, чтобы ещё больше изогнуть мембрану внутрь, нажимая на неё.
На пороге деления происходит нечто неожиданное: мембрана внезапно прогибается и становится настолько узкой, что митохондрия больше не может оставаться единой. Эта нестабильность, изучаемая в физике и машиностроении, завершает деление подобно тому, как зонтик резко выворачивается ветром.
«Самое важное, что мы обнаружили в этих двух статьях, — это то, что не только сборка сама по себе, но и разборка высвобождает скрытую силу белка динамина», — сказала Элизабет Луо, докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и первый автор одного из исследований. «Ключевым моментом является то, что один и тот же белок перезаряжается путём гидролиза после выполнения своей первой роли, поэтому клетке не нужен новый белок для завершения последнего шага».
Команда также установила прямую связь между дефектами в делении и заболеваниями. Они сосредоточились на конкретной мутации гена, кодирующего белок динамина. В этом случае известно, что одиночная замена в алфавите, составляющем ДНК, вызывает потенциально смертельные проблемы с развитием мозга. Исследователи показали, что эта мутация нарушает деление митохондрий.
Помимо открытий о митохондриях, это исследование может предложить ключ к пониманию механизмов, лежащих в основе других важных клеточных процессов. Например, процесс, с помощью которого клетка поглощает вещество извне, жизненно важен как для коммуникации между клетками, так и для доставки лекарств. Этот процесс называется эндоцитоз, и он зависит от динамина.
«В некотором смысле природа довольно скупа», — сказал Вонг, профессор химии и биохимии, микробиологии, иммунологии и молекулярной генетики в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Одни и те же концептуальные темы продолжают появляться. Механизмы, которые мы собрали для митохондрий, могут сыграть свою роль в эндоцитозе, который является одной из наиболее фундаментальных и важных функций в клетке».
Алимохамади начнёт свою работу в качестве доцента кафедры молекулярной биологии и биохимии в Калифорнийском университете в Ирвайне осенью этого года, где она продолжит исследовать механизмы сборки и разборки в других биологических контекстах.
Другие новости по теме
- Тайны Ока Африки: учёные раскрыли происхождение загадочного образования
- У побережья Калифорнии в рекордных количествах китов запутывают верёвки и тросы.
- Череп возрастом в миллион лет может изменить представления об эволюции человека
- Обнаружены суперустойчивые бактерии у диких птиц в реабилитационном центре на побережье штата Сан-Паулу, Бразилия
- Поглощение фрагментов ДНК из умирающих клеток может переопределить эволюцию млекопитающих и геномику
- Биоразнообразие укрепляет популяции опылителей и обеспечивает стабильную урожайность, показало исследование с участием подсолнечника
- Планета, которую застали в процессе рождения — такого не должно быть возможно
- Определение генетических причин эволюции устойчивости к антибиотикам за 100 лет
- Открытие, меняющее представления: новое исследование показывает, как долголетие передаётся из поколения в поколение
- Учёные обнаружили скрытые туннели Леонардо да Винчи — благодаря забытому эскизу
Другие новости на сайте
- Самые спорные автомобили, разделившие мнения в индустрии
- Импорт в Китай, август 2025 года:
- Новая карта Геологической службы США позволяет интерактивно изучить породы под нашими ногами
- Кнопки возвращаются в новые автомобили, но не мгновенно 🚘
- МРТ показывает, как кровь течёт через прототип искусственного сердца
- Технический директор Ripple предсказывает миграцию крупных технологических компаний в блокчейн
- Учёные наблюдают за ураганами и осадками в глобальном высоком разрешении
- Страны с более высоким риском заболеваний оптимистичнее смотрят в будущее человечества
- Отходы целлюлозно-бумажного производства — экологичное решение для удаления токсичных красителей
- Откройте для себя все детали нового Toyota GR Corolla 2026