Митохондрии - это «электростанции» сложных клеток. Чтобы обеспечить клетку энергией, им необходимы белковые строительные блоки, которые импортируются извне. Биохимики из Берна обнаружили, что за миллиарды лет «машины импорта белка», необходимые для этого процесса, развились иначе, чем предполагалось ранее. Это также проливает новый свет на эволюцию сложных клеток.
Митохондрии отделены от остальной части клетки двумя слоями мембраны. Для производства энергии митохондриям требуются белковые компоненты, которые должны переноситься через два слоя мембраны. За этот процесс отвечают две «импортные наномашины», расположенные во внешнем и внутреннем слое мембраны. Теперь исследовательская группа под руководством Андре Шнайдера с факультета химии и биохимии Бернского университета в сотрудничестве с группой Фрайбургского университета под руководством Беттины Варшайд обнаружила, что состав этих наномашин у одноклеточных паразитов сильно отличается, когда они по сравнению с людьми.
Как Шнайдер уже обнаружил в более раннем исследовании (см. пресс-релиз от 26 марта 2015 г.), паразиты - трипаносомы - в некотором роде «изобрели колесо». В новом исследовании они показывают, что это относится не только к «машине импорта» во внешней мембране митохондрий, но и к машине во внутренней мембране, необычный состав которой исследовательская группа определила. Предположение о том, что импортные наномашины устроены одинаково во всех митохондриях, независимо от того, одноклеточные организмы или человек, уже не верно. «Поэтому наши представления о том, как развивались митохондрии, необходимо изменить», - говорит Шнайдер. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications..
Как бензиновый и электрический двигатель
Митохондрия первоначально была просто структурированной бактериальной клеткой, которая была включена в более крупную клетку около двух миллиардов лет назад, а затем преобразована в клеточный компартмент. «В дополнение к возникновению самой жизни этот процесс трансформации был, возможно, самым важным событием в эволюции», - говорит Шнайдер. Она легла в основу развития сложных клеток, из которых состоят все растения и животные, а также многие микроорганизмы. «Люди также состоят из сложных клеток. Так что в конечном счете наше исследование затрагивает вопрос: откуда мы пришли», - объясняет Шнайдер. Основной предпосылкой появления митохондрий и, следовательно, эволюции сложных клеток была разработка эффективного механизма импорта белков.
Предыдущие гипотезы предполагали, что такая система возникла однажды, а затем лишь незначительно адаптировалась к условиям жизни соответствующих организмов. Однако новые данные показывают, что это не так. Эти импортные наномашины состоят из 15 различных белков как в трипаносомах, так и в организме человека, но, за исключением трех белков, эти компоненты не имеют никакого сходства друг с другом.
Этот факт показывает, что, за исключением трех основных компонентов, система импорта была заново изобретена в трипаносомах. «Поэтому ситуация более или менее сопоставима с бензиновым двигателем и электрическим двигателем, которые в принципе имеют одну и ту же функцию, но были изобретены независимо друг от друга и поэтому также устроены совершенно по-разному», - говорит Шнайдер. Это открытие теперь демонстрирует, что первая сложная клетка, по-видимому, имела только простую систему импорта, чья эволюция до высокоразвитых импортных наномашин была длительным процессом. Таким образом, сегодняшние эффективные системы импорта, состоящие из множества различных модулей, развились позже, чем первоначально предполагалось, после того, как уже произошло первоначальное «видообразование» сложных клеток.
Полезно в борьбе с сонной болезнью
Трипаносомы являются не только важной модельной системой для фундаментальных исследований, но также имеют клиническое значение как патогены, вызывающие сонную болезнь, которая при отсутствии лечения приводит к летальному исходу. «Недавно обнаруженная система импорта белков абсолютно необходима для выживания трипаносом. «Поскольку она устроена совсем иначе, чем система в митохондриях человека, она может подойти в качестве структуры-мишени для химиотерапии против сонной болезни», - говорит Шнайдер. Следовательно, должно быть возможно найти вещества, которые ингибируют транспортную систему трипаносом, не влияя на транспортную систему митохондрий человека.