Исследование показало, что MTCH2 действует как дверной проем для белков в митохондриальную мембрану.

Митохондрии -; органеллы, отвечающие за выработку энергии в клетках человека – ; когда-то были свободноживущими организмами, которые проникли в ранние эукариотические клетки более миллиарда лет назад. С тех пор они плавно слились со своими хозяевами в классическом примере симбиотической эволюции и теперь полагаются на многие белки, вырабатываемые в ядре их клетки-хозяина, чтобы функционировать должным образом.

Особенно важны белки внешней мембраны митохондрий; они позволяют митохондриям связываться с остальной частью клетки и играют роль в иммунных функциях и типе запрограммированной гибели клеток, называемом апоптозом. В ходе эволюции клетки выработали особый механизм для встраивания этих белков —; которые производятся в цитоплазме клетки – ; в митохондриальную мембрану. Но что это был за механизм и какие сотовые игроки были задействованы, долгое время оставалось загадкой.

Новая статья из лаборатории члена Института Уайтхеда Джонатана Вайсмана и профессора Калифорнийского технологического института Ребекки Вурхиз предлагает решение этой загадки. Работа, опубликованная 21 октября в журнале Наукапоказывает, что белок, называемый гомологом митохондриального переносчика 2, или сокращенно MTCH2, который был связан со многими клеточными процессами и даже с такими заболеваниями, как рак и болезнь Альцгеймера, отвечает за то, что действует как «дверь» для доступа различных белков к митохондриальная мембрана.

До сих пор никто не знал, чем на самом деле занимается МТЧ2 – ; они просто знали, что когда вы его теряете, с клеткой происходят разные вещи. Было своего рода загадкой, почему один и тот же белок влияет на столько различных процессов. Это исследование дает молекулярную основу для понимания того, почему MTCH2 был вовлечен в биосинтез липидов и болезни Альцгеймера, а также в деление и слияние митохондрий: потому что он отвечал за вставку всех этих различных типов белков в мембрану».

Джонатан Вайсман, профессор биологии Массачусетского технологического института и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза

«Сотрудничество между нашими лабораториями было важно для понимания биохимии этого взаимодействия и привело к действительно захватывающему новому пониманию фундаментального вопроса клеточной биологии», — сказал Вурхиз.

Поиск двери

Для того чтобы выяснить, как белки из цитоплазмы – ; в частности, класс, называемый белками с заякоренным хвостом -; были вставлены во внешние мембраны митохондрий, научный сотрудник Лаборатории Уайтхеда и первый автор исследования Алина Гуна вместе с аспирантом Лаборатории Вурхиса Тейлором Стивенсом и постдокторанткой Элисон Инглис решили использовать метод, называемый скринингом интерференции CRISPR (или CRISPRi). подход, который был изобретен Вайсманом и сотрудниками.

«Экран CRISPR позволил нам систематически избавляться от каждого гена, а затем смотреть и видеть, что произошло. [to one specific tail-anchored protein]«Мы нашли один ген, MTCH2, когда мы избавились от него, произошло огромное уменьшение количества нашего белка, попадающего на митохондриальную мембрану. Поэтому мы подумали, может быть, это дверь, чтобы войти».

Чтобы подтвердить, что MTCH2 действует как вход в митохондриальную мембрану, исследователи провели дополнительные эксперименты, чтобы наблюдать, что происходит, когда MTCH2 отсутствует в клетке. Они обнаружили, что MTCH2 одновременно необходим и достаточен для того, чтобы заякоренные в хвосте мембранные белки могли перемещаться из цитоплазмы в митохондриальную мембрану.

Способность MTCH2 переносить белки из цитоплазмы в митохондриальную мембрану, вероятно, обусловлена ​​его специализированной формой. Исследователи прогнали последовательность белка через Alpha Fold, систему искусственного интеллекта, которая предсказывает структуру белка по его аминокислотной последовательности, которая показала, что это гидрофобный белок; идеально подходит для введения в маслянистую мембрану; но с единственной гидрофильной бороздкой, куда могут проникать другие белки.

«Это в основном похоже на воронку», — сказал Гуна. «Белки выходят из цитозоля, они проскальзывают в эту гидрофильную бороздку, а затем перемещаются из белка в мембрану».

Чтобы подтвердить, что эта бороздка важна для функции белка, Гуна и ее коллеги разработали еще один эксперимент. «Мы хотели поиграть со структурой, чтобы посмотреть, сможем ли мы изменить ее поведение, и нам это удалось», — сказал Гуна. «Мы вошли и сделали одну точечную мутацию, и этой точечной мутации было достаточно, чтобы действительно изменить поведение белка и его взаимодействие с субстратами. Затем мы продолжили и нашли мутации, которые сделали его менее активным, и мутации, которые сделали его суперактивным. активен».

У нового исследования есть приложения, выходящие за рамки ответа на фундаментальный вопрос исследования митохондрий. «Из этого вытекает много всего», — сказал Гуна.

Во-первых, MTCH2 вставляет белки, являющиеся ключевыми для типа запрограммированной гибели клеток, называемого апоптозом, который исследователи потенциально могут использовать для лечения рака. «Мы можем сделать клетки лейкемии более чувствительными к лечению рака, придав им мутацию, которая изменяет активность MTCH2», — сказал Гуна. «Мутация заставляет MTCH2 действовать более «жадно» и вставлять больше элементов в мембрану, а некоторые из этих элементов, которые имеют вставки, похожи на проапоптотические факторы, поэтому эти клетки с большей вероятностью погибнут, что является фантастическим в контексте рака. лечение.”

В работе также поднимаются вопросы о том, как MTCH2 развивал свою функцию с течением времени. MTCH2 произошел от семейства белков, называемых переносчиками растворенных веществ, которые перемещают различные вещества через клеточные мембраны. «Нас действительно интересует этот вопрос эволюции: как можно развить новую функцию из старого, вездесущего класса белков?» — сказал Вайсман.

И исследователям еще многое предстоит узнать о том, как митохондрии взаимодействуют с остальной частью клетки, в том числе о том, как они реагируют на стресс и изменения внутри клетки, и как белки в первую очередь находят путь к митохондриям. “Я так думаю [this paper] – это только первый шаг, – сказал Вайсман. – Это относится только к одному классу мембранных белков -; и это не говорит вам обо всех шагах, которые происходят после того, как белки произведены в цитоплазме. Например, как они переправляются в митохондрии? Так что следите за обновлениями -; Я думаю, мы узнаем, что теперь у нас есть очень хорошая система для раскрытия этой фундаментальной части клеточной биологии».