_ Cum ajung proteinele de semnalizare la suprafața mitocondrială

Mitocondriile sunt organite care sunt cunoscute pentru că furnizează moneda energetică care alimentează reacțiile chimice din interiorul celulelor, dar sunt și implicate în alte procese importante vitale pentru sănătatea celulelor, inclusiv răspunsul imun înnăscut la agenții patogeni precum virusurile, moartea celulară programată și comunicarea cu restul celulei - procese care joacă toate un rol în sănătate și boală. Proteinele de semnalizare care servesc ca interfață a mitocondriilor cu restul celulei sunt jucători cheie în aceste procese.

Suprafața exterioară a mitocondriilor, cunoscută sub numele de membrana mitocondrială exterioară (OMM), este astfel o zonă focală. punct de control pentru dinamica mitocondrială și sănătatea celulelor și este umplut cu proteine ​​de semnalizare. Celula poate modifica compoziția proteică a OMM pentru a adapta funcția mitocondriilor individuale, dar agenții patogeni pot, de asemenea, manipula peisajul OMM în beneficiul lor. În plus, dezechilibrele în compoziția proteinelor OMM au fost legate de boli precum cancerul și bolile neurodegenerative, inclusiv Parkinson și Alzheimer.

Cu cât cercetătorii înțeleg mai bine dinamica acestor proteine ​​OMM, cu atât pot obține mai multe informații despre acestea. rolurile pe care le joacă în funcțiile mitocondriale și relevanța lor pentru sănătate și boală. De aceea, membrul Institutului Whitehead, Jonathan Weissman, de asemenea, profesor de biologie la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și investigator al Institutului Medical Howard Hughes; Alina Guna, un post-doctorat comun în laboratorul lui Weissman și al Institutului de Tehnologie din California, profesor asistent Rebecca Voorhees; și Gayathri Muthukumar, un student absolvent în laboratorul lui Weissman, și-au propus să afle mai multe despre modul în care unul dintre subseturile majore de proteine ​​OMM - proteinele alfa-helicoidale - este creat și reglementat.

Modelul detaliat al cercetătorilor. a diferitelor căi și molecule implicate în gestionarea acestei părți a peisajului proteic OMM a fost publicat în revista Molecular Cell pe 29 februarie.

„Proteinele alfa-helical OMM sunt o clasă mare și variată și că ne-a condus la întrebarea cum coordonează celula biosinteza acestor multe proteine ​​diferite”, spune Muthukumar. „Acum, că avem o înțelegere mai largă și mai completă a actorilor moleculari specifici implicați și a modului în care funcționează căile, ceea ce ne permite să obținem o mai bună înțelegere a OMM ca platformă de semnalizare și a modului în care aceasta este manipulată în condiții de boală. /p>

Proteinele pe care cercetătorii le-au analizat sunt toate proteine ​​transmembranare, ceea ce înseamnă că sunt inserate și traversează membrana exterioară. Ele sunt, de asemenea, elicoidale alfa, ceea ce înseamnă că au o bobină sau o formă de spirală în domeniile lor transmembranare, părțile proteinei care traversează membrana. Unele dintre proteine ​​traversează membrana o singură dată, cu un capăt în afara mitocondriei și un capăt în interior. Altele sunt pliate astfel încât să se împletească în și din membrană de mai multe ori.

Proteinele transmembranare sunt dificile pentru asamblarea corectă a celulei. Părțile de bază ale proteinei sunt formate de mașini în zona principală a celulei și apoi trebuie să fie livrate la OMM. Domeniile transmembranare ale proteinelor sunt stabile odată introduse, dar în timp ce proteinele în curs de dezvoltare se află în corpul principal al celulei, aceste domenii sunt instabile și predispuse să se aglomereze împreună.

Adesea, aceste proteine ​​necesită acest lucru. -numiți însoțitori care se asociază și îi protejează în călătoria către OMM, altfel vor fi degradați sau se vor aglomera. Aglomerarea nu numai că împiedică proteinele să ajungă la OMM și să-și facă treaba acolo, dar aglomerările rătăcitoare pot crea probleme celulei. O altă provocare este că proteinele transmembranare sunt predispuse la erori în pliere, ceea ce le perturbă funcția și poate contribui la îmbolnăvire.

Weissman și colegii au vrut astfel să înțeleagă ce mecanisme folosește celula pentru a se asigura că aceste proteine ​​sunt livrate în siguranță și inserate în OMM sau că proteinele sunt distruse dacă există erori în sinteza lor. Cercetătorii au efectuat analize genetice sistematice la scară largă folosind abordarea de screening a interferenței CRISPR (CRISPRi) dezvoltată de Weissman și colaboratori pentru a căuta moleculele necesare pentru a obține o varietate de proteine ​​OMM la locul lor.

cercetătorii, conduși de primul autor al studiului Muthukumar, au descoperit că proteinele urmează căi diferite către OMM, depinzând în mare măsură de doi factori: dacă traversează membrana o dată sau de mai multe ori și care capăt al proteinei este orientat spre exterior față de interior. mitocondria.

Cercetătorii au ajuns să găsească căi distincte pentru trei categorii de proteine: proteine ​​ancorate de semnal, care trec prin membrană o singură dată și au începutul proteinei orientat spre interior; proteine ​​ancorate la coadă, care trec o dată prin membrană și își au începutul spre exterior; și proteinele politopice, care trec prin membrană de mai multe ori (și par să se bazeze pe aceeași cale, indiferent de orientarea semnalului și a cozii).

Cercetătorii și-au folosit abordarea de screening pentru a testa ce molecule sunt esențiale pentru buna funcționare. livrarea, inserarea și controlul calității sau degradarea fiecărei categorii de proteine ​​OMM. Ei au descoperit că proteinele ancorate în coadă nu necesită, din câte și-au dat seama, niciun fel de însoțitor pentru a ajunge la OMM. Proteinele ancorate de semnal necesită un însoțitor nou numit TTC1 al cărui rol în celulă era necunoscut anterior.

Cercetătorii au efectuat experimente suplimentare pentru a caracteriza TTC1 și pentru a obține informații despre modul în care interacționează cu proteinele OMM. Ei au folosit un sistem AI numit AlphaFold pentru a genera modele derivate din AI ale TTC1 și cu aceste modele au identificat o nouă interfață prin care TTC1 menține stabile domeniile transmembranare în corpul principal al celulei. În cele din urmă, cercetătorii au descoperit că proteinele politopice sunt însoțite de complexul NAC, un complex de proteine ​​care a fost cunoscut ca însoțitor, dar numai pentru o anumită clasă de proteine; această descoperire își extinde rolul.

Majoritatea căilor proteinelor converg apoi pe o singură cale pentru inserarea în OMM. Aceștia sunt ghidați în principal de insertază (moleculă care facilitează inserția) MTCH2, identificată recent de laboratoarele Weissman și Voorhes.

În plus, cercetătorii au obținut câteva informații despre moleculele care efectuează controlul calității proteinelor OMM, degradând atunci când există o problemă: au descoperit că unele proteine ​​de ancorare a cozii pot fi degradate în corpul principal al celulei de molecula UBQLN1, iar toate cele trei tipuri pot fi degradate o dată în OMM de către molecula MARCHF5. Cercetătorii observă că controlul calității nu a fost punctul central al studiului lor și că sunt necesare studii ulterioare pentru a afla mai multe despre mecanismele de control al calității.

În totalitate, aceste descoperiri le-au permis cercetătorilor să facă o hartă detaliată a căile prin care proteinele alfa-helical sunt livrate și inserate în OMM, precum și pentru a înțelege unele dintre modurile în care sunt reglementate pentru controlul calității. Sfera descoperirilor a fost posibilă numai datorită abordărilor de screening genetic la scară largă pe care Weissman și alții le-au dezvoltat în ultimii ani.

„Prin uit la mai multe tipuri diferite de proteine ​​și la mai multe proteine ​​de fiecare tip. , și construind o listă cuprinzătoare de părți pentru sinteza lor, suntem capabili să scoatem atât principiile generale pentru tipurile de proteine, cât și idiosincraziile fiecărei proteine ​​​​în particular din aceasta", spune Weissman. „Cred că acest proiect demonstrează cum puteți folosi abordări sistematice și biologia celulară clasică pentru a deschide o problemă într-un mod major într-o singură lucrare”.

Aceste abordări le-au permis cercetătorilor să colecteze o cantitate masivă de date, pe care intenționează să le analizeze în continuare pentru a face mai multe descoperiri despre proteinele OMM și moleculele care interacționează cu acestea. În plus, cercetătorii speră că descoperirile lor actuale pot oferi noi perspective asupra dinamicii OMM ca platformă de semnalizare pentru celulă, un hub care este implicat în multe procese cheie în sănătate și boală.

Înțelegerea Căile care controlează compoziția proteinei OMM pot ajuta cercetătorii să descopere modul în care modificările acestei compoziții afectează funcția și disfuncția mitocondrială. Descoperirile le pot permite chiar și în cele din urmă cercetătorilor să modifice peisajul proteinelor OMM, ceea ce ar putea duce la terapii pentru bolile legate de OMM, de la cancer la neurodegenerare până la infecții virale.

„Din cauza importanței lor, dezechilibrele în proteinele OMM. au fost legate de o varietate de boli", spune Guna. „Prin urmare, modul în care sunt produse aceste proteine ​​nu este doar o problemă fundamentală în biologia celulară, ci are și implicații ample. Dacă putem înțelege cum sunt produse aceste proteine, ne oferă capacitatea de a interveni în stările sănătoase sau de boală pentru a se schimba. compoziția proteomului OMM și, potențial, să orienteze o celulă către sau departe de o anumită soartă.”

(Fluierul)