Используя генетический метод, разработанный в Медицинском центре Юго-Западного университета (UT Southwestern Medical Center), который заставляет клетки избавляться от митохондрий, исследователи получают новое представление о функции этих критически важных органелл. Их выводы, опубликованные в журнале Cell, дополняют фундаментальные знания о роли митохондрий в клетках и эволюции и могут в конечном итоге привести к новым методам лечения пациентов с митохондриальными заболеваниями, такими как синдром Ли и синдром Кернса-Сейра, которые могут поражать многочисленные системы органов.
«Наш новый инструмент позволяет нам изучать, как изменения в количестве митохондрий и митохондриальном геноме влияют на клетки и организмы», — сказал Джун Ву, доктор философии, доцент кафедры молекулярной биологии в UT Southwestern. Доктор Ву был одним из руководителей исследования вместе с Даниэлем Шмитцем, доктором философии, бывшим аспирантом в лаборатории Ву, который сейчас является научным сотрудником в Калифорнийском университете в Беркли.
Митохондрии: роль и функции
Митохондрии — это органеллы, обнаруженные в клетках большинства эукариотических организмов, включая животных, растения и грибы, клетки которых содержат мембраносвязанное ядро и другие мембраносвязанные органеллы. У них есть собственный генетический материал, передаваемый исключительно через самок вида. Считается, что митохондрии произошли от прокариотических клеток, у которых отсутствуют мембраносвязанные органеллы, и вторглись в клетки предков эукариот и образовали с ними симбиотические отношения.
Исследователи давно знают, что эти органеллы служат клеточными электростанциями, генерируя энергетическую молекулу аденозинтрифосфат, которая питает все клеточные процессы. Однако недавние исследования показали, что митохондрии играют прямую роль в регуляции клеточной смерти, дифференцировке стволовых клеток в другие типы клеток, передаче молекулярных сигналов, старении и сроках развития.
Хотя митохондрии, по-видимому, выполняют многие из этих функций через «перекрёстное взаимодействие» с ДНК в ядре клетки, как они выполняют эту функцию — и что происходит, если это перекрёстное взаимодействие прекращается — было неизвестно.
Исследование с использованием митофагии
Чтобы ответить на эти вопросы, доктор Ву, доктор Шмитц и их коллеги использовали путь, называемый митофагией, который клетки обычно используют для удаления старых или повреждённых митохондрий. Используя генную инженерию, исследователи заставили клетки деградировать все свои митохондрии — процесс, известный как «насильственная митофагия».
Исследователи использовали этот процесс на человеческих плюрипотентных стволовых клетках (hPSCs), типе клеток, обычно формирующихся на ранних этапах развития, которые могут дифференцироваться в другие типы клеток. Хотя это изменение привело к тому, что клетки перестали делиться, исследователи неожиданно обнаружили, что клетки, лишённые митохондрий, могли выживать в чашках Петри до пяти дней. Они получили аналогичные результаты с различными типами стволовых клеток мыши и hPSCs, несущими патогенную митохондриальную мутацию ДНК, что позволяет предположить, что насильственная митофагия может быть жизнеспособным инструментом для истощения митохондрий у разных видов и типов клеток.
Для определения того, как удаление митохондрий влияет на hPSCs, исследователи оценили экспрессию ядерных генов. Они обнаружили, что 788 генов стали менее активными, а 1696 — более активными. Анализ затронутых генов показал, что hPSCs, по-видимому, сохраняют свою способность формировать другие типы клеток и что они могут частично компенсировать отсутствие митохондрий, причём белки, кодируемые ядерными генами, берут на себя производство энергии и некоторые другие функции, обычно выполняемые отсутствующими органеллами.
Затем исследователи, пытаясь лучше понять перекрёстное взаимодействие между митохондриями и ядром клетки, слили hPSCs с плюрипотентными стволовыми клетками (PSCs) от ближайших родственников человека среди приматов — включая шимпанзе, бонобо, горилл и орангутанов. Это сформировало «составные» клетки с двумя ядерными геномами и двумя наборами митохондрий, по одному от каждого вида. Эти составные клетки выборочно удалили все митохондрии, не относящиеся к человеку, оставив только человеческие митохондрии.
Далее, используя насильственную митофагию, учёные создали hPSCs, лишённые человеческих митохондрий, и слили их с PSCs, не относящимися к человеку, снова создав клетки, несущие ядерные геномы от обоих видов, но на этот раз только нечеловеческие митохондрии. Анализ составных клеток, содержащих либо человеческие, либо нечеловеческие митохондрии, показал, что митохондрии в значительной степени взаимозаменяемы, несмотря на миллионы лет эволюционного разделения, что вызывает лишь незначительные различия в экспрессии генов в составном ядре.
Интересно, что гены, которые различались по активности среди клеток, содержащих человеческие и нечеловеческие митохондрии, в основном были связаны с развитием мозга или неврологическими заболеваниями. Это поднимает возможность того, что митохондрии могут играть роль в различиях мозга между людьми и нашими ближайшими родственниками-приматами. Однако, по словам доктора Ву, потребуются дополнительные исследования — особенно исследования, сравнивающие нейроны, полученные из этих составных PSCs — чтобы лучше понять эти различия.
Наконец, исследователи изучили, как истощение митохондрий может повлиять на развитие у целых организмов. Они использовали генетически кодируемую версию насильственной митофагии, чтобы уменьшить количество митохондрий в эмбрионах мышей, а затем имплантировали их суррогатным матерям для развития. Эмбрионы, лишённые более 65% своих митохондрий, не смогли имплантироваться в матку суррогатной матери. Однако те, у кого отсутствовала примерно треть митохондрий, испытывали задержку в развитии, догоняя нормальное количество митохондрий и типичные сроки развития к 12,5 дням после оплодотворения.
Вместе исследователи говорят, что эти результаты служат отправной точкой для новых направлений исследований различных ролей, которые митохондрии играют в клеточных функциях, развитии тканей и органов, старении и эволюции видов. Они планируют использовать насильственную митофагию для продолжения изучения этих органелл в различных аспектах.
Другие исследователи из UTSW, которые внесли свой вклад в это исследование: Питер Ли, доктор философии, доцент кафедры патологии и клеточной биологии; Дайджи Окадзава, доктор философии, приглашённый доцент кафедры молекулярной биологии; Сейя Оура, доктор философии, и Лейцзе Ли, доктор философии, постдокторанты; И Ди, доктор философии, научный сотрудник; Рашми Дахия, доктор философии, старший научный сотрудник; Эмили Баллард, бакалавр наук, аспирантка-исследователь; и Масахиро Сакураи, доктор философии, научный сотрудник.
Предоставлено: Медицинский центр Юго-Западного университета (UT Southwestern Medical Center).