Войти
Митохондрии - это динамические органеллы со способностью сливаться и делиться (fission ), образуя постоянно изменяющиеся трубчатые сети в большинстве эукариотических клеток. Эта митохондриальная динамика, впервые наблюдаемая более ста лет назад, важна для здоровья клетки, а дефекты динамики приводят к генетическим нарушениям. Благодаря слиянию митохондрии могут преодолеть опасные последствия генетической неисправности. Процесс митохондриального слияния включает в себя множество белков, которые помогают клетке в серии событий, формирующих этот процесс.
Митохондриальная сеть (зеленый) в двух клетках человека (клетки HeLa )
Митохондрии, легкие млекопитающих - TEM (2) Когда клетки испытывают метаболические или экологические стрессы, митохондриальное слияние и деление работают для поддержания функциональные митохондрии. Повышение активности слияния приводит к удлинению митохондрий, тогда как увеличение активности деления приводит к фрагментации митохондрий. Компоненты этого процесса могут влиять на запрограммированную гибель клеток и приводить к нейродегенеративным расстройствам такие как болезнь Паркинсона. Такая гибель клеток может быть вызвана нарушениями в процессе слияния или деления.
Формы митохондрий в клетках постоянно меняются за счет комбинации деления, слияния и подвижности. В частности, слияние помогает изменить стресс, интегрируя содержимое слегка поврежденных митохондрий в качестве формы комплементации. Включая генетическую комплементацию, слияние митохондрий позволяет двум митохондриальным геномам с разными дефектами внутри одной органеллы индивидуально кодировать то, чего не хватает другой. При этом эти митохондриальные геномы генерируют все необходимые компоненты для функциональной митохондрии.
Комбинированные эффекты непрерывного слияния и деления порождают митохондриальные сети. Механизмы слияния и деления митохондрий регулируются протеолизом и посттрансляционными модификациями. Действия деления, слияния и подвижности вызывают постоянное изменение формы этих связанных с двойной мембраной субклеточных органелл, которые мы знаем как митохондрии.
Изменения баланса между скоростью деления и слияния митохондрий напрямую влияют на широкий диапазон длины митохондрий, который можно наблюдать в разных типах клеток. Было показано, что быстрое деление и слияние митохондрий в культивируемых фибробластах способствует перераспределению митохондриального зеленого флуоресцентного белка (GFP) из одной митохондрии во все другие митохондрии. Этот процесс может происходить в клетке в течение всего часа.
Значение митохондриального деления и слияния различно для непролиферирующих нейронов, которые не могут выжить без митохондриального деления. Такие непролиферирующие нейроны вызывают у человека два заболевания, известные как доминантная атрофия зрительного нерва и болезнь Шарко-Мари-Тута тип 2А, которые оба вызваны дефектами слияния. Хотя важность этих процессов очевидна, все еще неясно, почему деление и слияние митохондрий необходимы для непролиферирующих клеток.
Были идентифицированы многие генные продукты, которые контролируют слияние митохондрий, и их можно свести к трем основным группам, которые также контролируют деление митохондрий. Эти группы белков включают митофузины, OPA1 / Mgm1 и Drp1 / Dnm1. Все эти молекулы являются белками, гидролизующими GTP (GTPases ), которые принадлежат к семейству динаминов. Митохондриальная динамика в разных клетках понимается по тому, как эти белки регулируют и связываются друг с другом. Эти ГТФазы, контролирующие слияние митохондрий, хорошо сохраняются у млекопитающих, мух и дрожжей. Медиаторы слияния митохондрий различаются между внешней и внутренней мембранами митохондрий. Специфические заякоренные в мембране члены семейства динаминов опосредуют слияние между внешними мембранами митохондрий, известными как Mfn1 и Mfn2. Эти два белка представляют собой митофузин, содержащийся в организме человека, который может изменять морфологию пораженных митохондрий в условиях чрезмерной экспрессии. Однако один член семейства динаминов, известный как OPA1 у млекопитающих, обеспечивает слияние внутренних митохондриальных мембран. Эти регулирующие белки митохондриального слияния зависят от организма; следовательно, у дрозофилы (плодовых мушек) и дрожжей этот процесс контролируется митохондриальной трансмембранной GTPase, Fzo. У дрозофилы Fzo обнаруживается в постмейотических сперматидах, и дисфункция этого белка приводит к мужскому бесплодию. Однако делеция Fzo1 у почкующихся дрожжей приводит к уменьшению сферических митохондрий из-за отсутствия митохондриальной ДНК (мтДНК).
Баланс между митохондриальным слиянием и делением в клетках диктуется повышающей и понижающей регуляцией митофузинов, OPA1 / Mgm1 и Drp1 / Dnm1. Апоптоз, или запрограммированная гибель клеток, начинается с распада митохондрий на более мелкие части. Этот процесс является результатом повышающей регуляции Drp1 / Dnm1 и понижающей регуляции митофузинов. Позже в цикле апоптоза происходит изменение активности OPA1 / Mgm1 внутри внутренней митохондриальной мембраны. Роль белка OPA1 заключается в защите клеток от апоптоза путем ингибирования высвобождения цитохрома с. Как только этот белок изменяется, происходит изменение структуры крист, высвобождение цитохрома с и активация деструктивных ферментов каспазы. Эти результирующие изменения указывают на то, что структура внутренней митохондриальной мембраны связана с регуляторными путями, влияющими на жизнь и смерть клетки. OPA1 играет как генетическую, так и молекулярную роль в слиянии митохондрий и ремоделировании крист во время апоптоза. OPA1 существует в двух формах; первые растворимы и находятся в межмембранном пространстве, а вторые в виде целостной внутренней мембранной формы работают вместе, реструктурируя и формируя кристы во время и после апоптоза. OPA1 блокирует внутримитохондриальное перераспределение цитохрома c, которое вызывает ремоделирование крист. OPA1 действует для защиты клеток с митохондриальной дисфункцией из-за дефицита Mfn, вдвойне для тех, у кого отсутствуют Mfn1 и Mfn2, но он играет большую роль в клетках с дефицитом только Mfn1, чем с дефицитом Mfn2. Таким образом, подтверждается, что функция OPA1 зависит от количества Mfn1, присутствующего в клетке, что способствует удлинению митохондрий.
Оба белка, Mfn1 и Mfn2, могут действовать либо вместе, либо отдельно при слиянии митохондрий. Mfn1 и Mfn2 на 81% похожи друг на друга и примерно на 51% похожи на белок Fzo дрозофилы. Опубликованные результаты исследования по определению влияния слияния на структуру митохондрий показали, что при наблюдении клетки с дефицитом Mfn демонстрировали либо удлиненные клетки (большинство), либо маленькие сферические клетки.
Белок Mfn имеет три различных метода действия: гомотипические олигомеры Mfn1, гомотипические олигомеры Mfn2 и гетеротипные олигомеры Mfn1-Mfn2. Было высказано предположение, что тип клетки определяет метод действия, но еще предстоит сделать вывод, выполняют ли Mfn1 и Mfn2 одну и ту же функцию в процессе или они являются отдельными. Клетки, в которых отсутствует этот белок, подвержены серьезным клеточным дефектам, таким как плохой рост клеток, неоднородность потенциала митохондриальной мембраны и снижение клеточного дыхания.
Слияние митохондрий играет важную роль в процессе эмбрионального развития, как показано через белки Mfn1 и Mfn2. При использовании мышей с нокаутом Mfn1 и Mfn2 , которые умирают в утробе матери в середине беременности из-за недостаточности плаценты, слияние митохондрий не является важным для выживания клеток in vitro, но необходимо для эмбрионального развития и выживания клеток на протяжении всего периода беременности. более поздние стадии развития. Mfn1 Mfn2 мышей с двойным нокаутом, которые умирают еще раньше в развитии, отличались от мышей с «одиночным» нокаутом. Фибробласты мышиного эмбриона (MEF) произошли от мышей с двойным нокаутом, которые выживают в культуре даже при полном отсутствии слияния, но части их митохондрий демонстрируют уменьшенную копию митохондриальной ДНК (мтДНК ). количество и потеря мембранного потенциала. Эта серия событий вызывает проблемы с синтезом аденозинтрифосфата (АТФ).
Семейство митохондриального слияния внутренней / внешней мембраны (MMF) (TC # 9.B.25 ) семейство белков, которые играют роль в событиях митохондриального слияния. Это семейство принадлежит к более крупному надсемейству митохондриальных носителей (MC). Динамический характер митохондрий имеет решающее значение для функционирования. Чен и Чан (2010) обсудили молекулярные основы митохондриального слияния, его защитную роль в нейродегенерации и важность для клеточной функции. Митофузины млекопитающих Mfn1 и Mfn2, GTPases, локализованные на внешней мембране, опосредуют слияние внешней мембраны. OPA1, GTPase, связанная с внутренней мембраной, опосредует последующее слияние внутренней мембраны. Мутации в Mfn2 или OPA1 вызывают нейродегенеративные заболевания. Слияние митохондрий позволяет смешивать содержимое митохондриальной популяции, тем самым предотвращая необратимую потерю основных компонентов. Клетки с пониженным слиянием митохондрий обнаруживают субпопуляцию митохондрий, в которой отсутствуют нуклеоиды мтДНК. Такие дефекты мтДНК приводят к митохондриям с дефицитом дыхания, а их накопление в нейронах приводит к нарушению роста клеточных процессов и, как следствие, к нейродегенерации.
Репрезентативный список белков, принадлежащих к семейству MMF, доступен в базе данных классификации транспортеров.
Mfn1 и Mfn2 (TC # 9.B.25.2.1 ; Q8IWA4 и O95140 соответственно) в клетках млекопитающих необходимы для слияния митохондрий, Mfn1 и Mfn2 обладают функциональными различиями. Напр., Образование связанных структур in vitro происходит легче, когда митохондрии изолированы от клеток, сверхэкспрессирующих Mfn1, чем Mfn2. Кроме того, было показано, что Mfn2 специфически связывается с Bax и Bak (семейство Bcl-2, TC # 1.A.21 ), что приводит к изменению активности Mfn2, что указывает на то, что митофузины обладают уникальными функциональными характеристиками. Липидные дыры могут открываться на противоположных бислоях в качестве промежуточных продуктов, и слияние в сердечных миоцитах связано с дестабилизацией внешней митохондриальной мембраны, которая оппортунистически используется во время перехода митохондриальной проницаемости.
Мутации в Mfn2 (но не Mfn1) приводит к неврологическому расстройству синдрому Шарко-Мари-Тута. Эти мутации могут дополняться образованием гетероолигомеров Mfn1-Mfn2, но не гомоолигомеров Mfn2-Mfn2. Это указывает на то, что внутри гетероолигомерного комплекса Mfn1-Mfn2 каждая молекула функционально отличается. Это предполагает, что контроль уровней экспрессии каждого белка, вероятно, представляет собой самую основную форму регуляции для изменения митохондриальной динамики в тканях млекопитающих. Действительно, уровни экспрессии Mfn1 и Mfn2 варьируются в зависимости от типа клетки или ткани, как и морфология митохондрий.
В дрожжах три белка необходимы для слияния митохондрий. Fzo1 (P38297 ) и Mgm1 (P32266 ) представляют собой консервативные гуанозинтрифосфатазы, которые находятся на внешней и внутренней мембранах соответственно. На каждой мембране эти консервативные белки необходимы для различных этапов связывания мембран и смешивания липидов. Третий важный компонент - это Ugo1, белок внешней мембраны с областью, гомологичной, но отдаленно связанной с областью семейства митохондриальных носителей (MC). Hoppins et al., 2009 показали, что Ugo1 является модифицированным членом этого семейства, содержащим три трансмембранных домена и существующим как димер, структура, которая является критической для функции слияния Ugo1. Их анализ Ugo1 показывает, что он необходим для слияния как внешней, так и внутренней мембраны после прикрепления мембраны, указывая тем самым, что он действует на стадии смешения липидов слияния. Эта роль отличается от слитых белков, связанных с динамином, и, таким образом, демонстрирует, что на каждой мембране одного слитого белка недостаточно для управления этапом смешения липидов. Вместо этого на этом этапе требуется более сложная сборка белков. Образование поры плавления еще не продемонстрировано. Белок Ugo1 является членом надсемейства MC.
