Вчені відкрили новий механізм транспорту білків у мітохондрії

Науковці з Каліфорнійського технологічного інституту зробили революційне відкриття у сфері клітинної біології, виявивши новий механізм транспорту білків у мітохондрії. Дослідження, опубліковане у престижному журналі Cell, кардинально змінює уявлення про те, як білки потрапляють у ці життєво важливі органели.

Мітохондрії відомі як «електростанції клітини», оскільки вони виробляють аденозинтрифосфат — основне джерело енергії для більшості клітинних процесів. Ці органели виникли понад мільярд років тому, коли предкова археальна клітина утворила симбіотичне партнерство з бактерією. З часом мітохондрії стали незамінними для метаболізму та виробництва енергії, передавши більшість свого генетичного матеріалу клітині-господарю.

Внаслідок цього еволюційного процесу мітохондрії тепер залежать від клітини-господаря у виробництві більшості своїх білків. Ці білки синтезуються рибосомами поза органелою і повинні точно транспортуватися всередину мітохондрій. Саме цей процес і досліджувала команда під керівництвом Шу-оу Шан, професора хімії Каліфорнійського технологічного інституту.

Протягом багатьох років у біохімії панувала думка, що мітохондріальні білки імпортуються лише після повного завершення трансляції — процесу, під час якого рибосоми будують білки, з'єднуючи амінокислоти відповідно до генетичного коду. Однак нове дослідження кидає виклик цій традиційній моделі.

«Виявляється, що локалізація білків у мітохондріях включає багатошаровий, складний шлях, який побудований навколо біофізичних принципів згортання білків», — пояснює Шу-оу Шан. Дослідники виявили, що до 20 відсотків мітохондріальних білків імпортуються котрансляційно, тобто ці білки починають потрапляти в мітохондрії, поки вони ще збираються на рибосомах.

Зікун Чжу, колишній аспірант Шан і провідний автор дослідження, розповідає: «Після того, як ми ідентифікували ці мітохондріальні білки, які імпортуються котрансляційно, ми запитали себе: що особливого в цій підгрупі білків?»

Дослідники виявили, що визначальною рисою цих білків є їхній розмір та структурна складність. Багато з них топологічно складні, містять залишки амінокислот, які можуть бути далеко один від одного в послідовності, але повинні з'єднатися для досягнення правильного тривимірного згортання. «Це стає набагато складнішим процесом, ніж просто згортання через взаємодії між сусідніми залишками», — зазначає Шан.

Система котрансляційного імпорту в мітохондрії надає пріоритет саме цим важким для згортання білкам. Це має сенс, якщо врахувати, що великі структури повинні зрештою пройти через вузькі канали на мітохондріальній мембрані під час імпорту. «Виникне проблема, якщо дозволити цим великим, дуже складним білкам завершити трансляцію в цитозолі», — пояснює Шан. «Вони застрягнуть у незворотних структурах, і тоді ви не лише заблокуєте імпорт, але й забьєте всі канали».

Команда виявила, що майже всі такі білки несуть мітохондріальну таргетну послідовність — сигнал, який направляє білки до мітохондрій. Проте, несподівано, цього самого по собі недостатньо, щоб наказати цій підгрупі білків доставлятися під час трансляції. Чжу провів експерименти, які показали, що система чекає другого молекулярного сигналу для переміщення білка до мітохондрій на ранній стадії.

Цей сигнал надходить у формі першого великого білкового домену або структурної одиниці, що може згортатися в межах послідовності, яка з'являється з рибосоми. «Це як мати посадковий талон, заблокований у валізі», — пояснює Чжу. «Таргетна послідовність — це посадковий талон, але щоб отримати до нього доступ, вам потрібен код для відкриття валізи. У цьому випадку великий домен і є тим кодом».

Науковці навіть змогли пересадити приклади таких великих білкових доменів іншим мітохондріальним білкам, які зазвичай імпортуються після трансляції, і показали, що домени справді служили як переносні сигнали, здатні перенаправляти білки для імпорту під час трансляції.

«Котрансляційне таргетування до мітохондрій виявляється абсолютно відмінним від таргетування до інших органел», — каже Чжу. «У майбутньому буде захоплююче розкрити більше механістичних деталей і, зрештою, маніпулювати часом імпорту мітохондріальних білків. Це не лише допоможе нам зрозуміти, чому клітини еволюціонували такий складний шлях таргетування для мітохондріальних білків, але також відкриє двері для потенційних терапевтичних застосувань».