Митохондрии — это динамические органеллы , способные сливаться и делиться ( деление ), образуя постоянно меняющиеся трубчатые сети в большинстве эукариотических клеток. Эти митохондриальные динамики, впервые обнаруженные более ста лет назад [1], важны для здоровья клетки, а дефекты динамики приводят к генетическим нарушениям . Благодаря слиянию митохондрии могут преодолевать опасные последствия генетической неисправности. [2] Процесс слияния митохондрий включает в себя множество белков, которые помогают клетке на протяжении всей серии событий, формирующих этот процесс.
.jpg/1280px-Mitochondria,_mammalian_lung_-_TEM_(2).jpg)
Когда клетки испытывают метаболические или экологические стрессы , митохондриальное слияние и деление работают для поддержания функциональных митохондрий. Увеличение активности слияния приводит к удлинению митохондрий, тогда как увеличение активности деления приводит к фрагментации митохондрий. [3] Компоненты этого процесса могут влиять на запрограммированную гибель клеток и приводить к нейродегенеративным расстройствам, таким как болезнь Паркинсона . Такая гибель клеток может быть вызвана нарушениями в процессе слияния или деления. [4]
Формы митохондрий в клетках постоянно меняются посредством комбинации деления, слияния и подвижности. В частности, слияние помогает модифицировать стресс, интегрируя содержимое слегка поврежденных митохондрий как форму комплементации. Обеспечивая генетическую комплементарность , слияние митохондрий позволяет двум митохондриальным геномам с различными дефектами в пределах одной органеллы индивидуально кодировать то, чего не хватает другому. При этом эти митохондриальные геномы генерируют все необходимые компоненты для функциональной митохондрии. [2]
Совместные эффекты непрерывного слияния и деления приводят к образованию митохондриальных сетей. Механизмы слияния и деления митохондрий регулируются протеолизом и посттрансляционными модификациями. Действия деления, слияния и подвижности приводят к постоянному изменению форм митохондрий.
Изменения в балансе между скоростями деления и слияния митохондрий напрямую влияют на широкий диапазон длин митохондрий, которые можно наблюдать в различных 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 остальные митохондрии. Этот процесс может происходить в клетке в течение такого короткого периода времени, как час. [4]
Значимость деления и слияния митохондрий различна для непролиферирующих нейронов, которые не способны выживать без деления митохондрий. Такие непролиферирующие нейроны вызывают два заболевания человека, известные как доминантная атрофия зрительного нерва и болезнь Шарко-Мари-Тута типа 2А, которые оба вызваны дефектами слияния. Хотя важность этих процессов очевидна, до сих пор неясно, почему деление и слияние митохондрий необходимы для непролиферирующих клеток.
Было идентифицировано множество генных продуктов, 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 гидролизующими GTP белками ( GTPases ), которые принадлежат к семейству динаминов . Динамика митохондрий в разных клетках понимается по тому, как эти белки регулируются и связываются друг с другом. [2] Эти GTPases, контролирующие слияние митохондрий, хорошо сохранились у млекопитающих, мух и дрожжей. Медиаторы слияния митохондрий различаются между наружными и внутренними мембранами митохондрий. Конкретные закрепленные на мембране члены семейства динаминов опосредуют слияние между наружными мембранами митохондрий, известными как Mfn1 и Mfn2 . Эти два белка являются митофузином, содержащимся в организме человека, который может изменять морфологию пораженных митохондрий в условиях повышенной экспрессии. Однако один член семейства динаминов, известный как OPA1 у млекопитающих, опосредует слияние внутренних мембран митохондрий. Эти регулирующие белки слияния митохондрий зависят от организма; поэтому у дрозофилы (плодовых мушек) и дрожжей процесс контролируется митохондриальной трансмембранной ГТФазой, Fzo. У дрозофилы Fzo находится в постмейотических сперматидах, и дисфункция этого белка приводит к мужской стерильности. Однако делеция Fzo1 у почкующихся дрожжей приводит к образованию более мелких сферических митохондрий из-за отсутствия митохондриальной ДНК (мтДНК).
Баланс между слиянием и делением митохондрий в клетках диктуется повышающей и понижающей регуляцией митохондрий, OPA1/Mgm1 и Drp1/Dnm1. Апоптоз , или запрограммированная клеточная смерть , начинается с распада митохондрий на более мелкие части. Этот процесс является результатом повышения регуляции Drp1/Dnm1 и понижения регуляции митохондрий. Позже в цикле апоптоза происходит изменение активности OPA1/Mgm1 во внутренней митохондриальной мембране. Роль белка OPA1 заключается в защите клеток от апоптоза путем ингибирования высвобождения цитохрома c . После изменения этого белка происходит изменение структуры крист, высвобождение цитохрома c и активация деструктивных ферментов каспазы. Эти результирующие изменения указывают на то, что внутренняя структура митохондриальной мембраны связана с регуляторными путями, влияющими на жизнь и смерть клеток. OPA1 играет как генетическую, так и молекулярную роль в слиянии митохондрий и в ремоделировании крист во время апоптоза. [5] OPA1 существует в двух формах: первая растворимая и находится в межмембранном пространстве, а вторая как интегральная внутренняя мембранная форма работают вместе, чтобы реструктурировать и формировать кристы во время и после апоптоза. OPA1 блокирует внутримитохондриальное перераспределение цитохрома c, которое продолжает ремоделирование крист. OPA1 функционирует для защиты клеток с митохондриальной дисфункцией из-за дефицита Mfn, вдвойне для тех, у кого нет Mfn1 и Mfn2, но он играет большую роль в клетках с дефицитом только Mfn1, а не с дефицитом Mfn2. Поэтому поддерживается, что функция OPA1 зависит от количества Mfn1, присутствующего в клетке, для содействия удлинению митохондрий. [6]
Оба белка, Mfn1 и Mfn2, могут действовать как вместе, так и по отдельности во время слияния митохондрий. Mfn1 и Mfn2 на 81% похожи друг на друга и примерно на 51% похожи на белок Fzo дрозофилы . Результаты, опубликованные для исследования по определению влияния слияния на структуру митохондрий, показали, что клетки с дефицитом Mfn демонстрируют либо удлиненные клетки (большинство), либо небольшие сферические клетки при наблюдении.
Белок Mfn имеет три различных метода действия: гомотипические олигомеры Mfn1 , гомотипические олигомеры Mfn2 и гетеротипические 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 этом процессе или они являются отдельными. Клетки, лишенные этого белка, подвержены серьезным клеточным дефектам, таким как плохой рост клеток, гетерогенность потенциала митохондриальной мембраны и снижение клеточного дыхания . [7]
Слияние митохондрий играет важную роль в процессе эмбрионального развития , как показано на примере белков Mfn1 и Mfn2. Используя мышей с нокаутом Mfn1 и Mfn2, которые умирают внутриутробно в середине беременности из-за дефицита плаценты, было показано, что слияние митохондрий не является необходимым для выживания клеток in vitro, но необходимо для эмбрионального развития и выживания клеток на более поздних стадиях развития. Мыши с двойным нокаутом Mfn1 Mfn2, которые умирают еще раньше в развитии, были отделены от мышей с «одинарным» нокаутом. Фибробласты эмбрионов мышей (MEF) произошли от мышей с двойным нокаутом, которые выживают в культуре, несмотря на полное отсутствие слияния, но части их митохондрий показывают сниженное количество копий митохондриальной ДНК ( мтДНК ) и теряют мембранный потенциал. Эта серия событий вызывает проблемы с синтезом аденозинтрифосфата (АТФ).
Семейство белков слияния внутренней и внешней мембран митохондрий (MMF) (TC# 9.B.25) — это семейство белков, которые играют роль в событиях слияния митохондрий. Это семейство принадлежит к более крупному суперсемейству митохондриальных переносчиков (MC) . Динамическая природа митохондрий имеет решающее значение для функционирования. Чен и Чан (2010) обсудили молекулярную основу слияния митохондрий, ее защитную роль при нейродегенерации и ее важность для клеточной функции. [8] Митофузины млекопитающих Mfn1 и Mfn2, ГТФазы, локализованные на внешней мембране, опосредуют слияние внешней мембраны. OPA1, ГТФаза, связанная с внутренней мембраной, опосредует последующее слияние внутренней мембраны. Мутации в Mfn2 или OPA1 вызывают нейродегенеративные заболевания. Слияние митохондрий обеспечивает смешивание содержимого в популяции митохондрий, тем самым предотвращая постоянную потерю важных компонентов. Клетки с пониженным слиянием митохондрий показывают субпопуляцию митохондрий, в которых отсутствуют нуклеоиды мтДНК. Такие дефекты мтДНК приводят к митохондриям с дефицитом дыхания, а их накопление в нейронах приводит к нарушению роста клеточных процессов и последующей нейродегенерации.
Представительный список белков, принадлежащих к семейству ММФ, 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. Например, образование связанных структур in vitro происходит легче, когда митохондрии изолированы от клеток, сверхэкспрессирующих Mfn1, чем Mfn2. [9] Кроме того, было показано, что Mfn2 специфически ассоциируется 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 отверстия могут открываться на противоположных бислоях в качестве промежуточных продуктов, а слияние в сердечных миоцитах сопряжено с дестабилизацией внешней митохондриальной мембраны, которая оппортунистически используется во время перехода проницаемости митохондрий. [10]
Мутации в Mfn2 (но не в Mfn1) приводят к неврологическому расстройству синдрому Шарко-Мари-Тута . Эти мутации могут быть дополнены образованием гетероолигомеров Mfn1–Mfn2 CMT2A , но не гомоолигомеров Mfn2 + –Mfn2 CMT2A . [11] Это говорит о том, что в гетероолигомерном комплексе Mfn1–Mfn2 каждая молекула функционально отличается. Это говорит о том, что контроль уровней экспрессии каждого белка, вероятно, представляет собой самую базовую форму регуляции для изменения динамики митохондрий в тканях млекопитающих. Действительно, уровни экспрессии Mfn1 и Mfn2 варьируются в зависимости от типа клетки или ткани, как и морфология митохондрий. [12]
У дрожжей три белка необходимы для слияния митохондрий. Fzo1 (P38297) и Mgm1 (P32266) являются консервативными гуанозинтрифосфатазами, которые находятся во внешней и внутренней мембранах соответственно. На каждой мембране эти консервативные белки требуются для отдельных этапов связывания мембраны и смешивания липидов. Третьим важным компонентом является Ugo1, белок внешней мембраны с областью, гомологичной, но отдаленно связанной с областью в семействе митохондриальных переносчиков (MC). Хоппинс и др. , 2009 показали, что Ugo1 является модифицированным членом этого семейства, содержащим три трансмембранных домена и существующим в виде димера, структуры, которая имеет решающее значение для функции слияния Ugo1. [13] Их анализ Ugo1 показывает, что он необходим как для слияния внешней, так и для слияния внутренней мембраны после связывания мембраны, что указывает на то, что он работает на этапе смешивания липидов слияния. Эта роль отличается от белков, связанных с динамином слияния, и, таким образом, демонстрирует, что на каждой мембране одного белка слияния недостаточно для управления этапом смешивания липидов. Вместо этого этот этап требует более сложной сборки белков. Образование поры слияния пока не было продемонстрировано. [13] [14] Белок Ugo1 является членом суперсемейства MC .
