Немецко-швейцарская группа под руководством профессора Оливера Даумке из MDC исследовала, как белок семейства динаминов деформирует внутреннюю митохондриальную мембрану. Результаты, которые также проливают свет на наследственное заболевание зрительного нерва, были опубликованы в журнале Nature.
Митохондрии - это электростанции наших клеток, вырабатывающие энергию в виде химических соединений, таких как АТФ. Чтобы эффективно выполнять эту работу, митохондрии имеют характерную организацию: в дополнение к внешней мембране у них есть внутренняя мембрана с множеством впячиваний. На этой внутренней мембране находятся все ферменты, необходимые для производства АТФ.
Митохондрии не являются жесткими органеллами
«Нас интересовало, как митохондрии приобретают и сохраняют свою характерную форму», - говорит профессор Оливер Даумке, руководитель исследовательской группы MDC «Структурная биология мембранно-ассоциированных процессов» и один из двух старших авторов исследования, опубликованного в Природа. «Дело в том, что митохондрии не являются жесткими органеллами - они непрерывно делятся и сливаются друг с другом». Одним из результатов этого процесса является удаление поврежденных участков.
«Но митохондрии не всегда функционируют так идеально», - объясняет доктор Катя Фельбер из отдела кристаллографии MDC, один из двух первых авторов исследования. «Многие нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, являются результатом дисбаланса между делением и слиянием митохондрий, что приводит к медленному отмиранию нейронов».
Молекулярная машина для реорганизации митохондриальной мембраны
Ключевыми игроками в ремоделировании митохондриальной мембраны являются поддерживающий белок 1 митохондриального генома (Mgm1) у дрожжей и белок 1 атрофии зрительного нерва (OPA1) у людей. Мутации в гене OPA1 приводят к наследственному заболеванию зрительного нерва, известному как атрофия зрительного нерва, что является одной из наиболее частых причин врожденной слепоты.
«Mgm1 и OPA1 расположены на внутренней митохондриальной мембране, особенно близко к характерным впячиваниям», - объясняет Оливер Даумке. Здесь белки функционируют как молекулярные машины, преобразуя химическую энергию в механическую.
До этого исследования уже было известно, что белки состоят из нескольких субъединиц: из домена GTPase, который функционирует как фактический мотор, из домена BSE (bundle signaling element), который действует как рычаг и шток. «Нас особенно интересовал стебель, потому что через него Mgm1 собирается в нитевидные структуры», - говорит Оливер Даумке. Эти нити необходимы для работы молекулярной машины и, следовательно, для деформации мембраны. Без них машина бы не работала.
Использование различных методов построения молекулярной модели
Чтобы более подробно понять, как Mgm1 стабилизирует инвагинации и контролирует непрерывное ремоделирование внутренних митохондриальных мембран, ученые из MDC определили структуру белка с помощью рентгеновской кристаллографии. «С помощью этого метода мы создали трехмерную атомную модель белка Mgm1», - объясняет Катя Фельбер.
Группа структурной биологии в Берлине затем сотрудничала с группой профессора Вернера Кюльбрандта из Института биофизики Макса Планка во Франкфурте-на-Майне, которая исследовала белок с помощью криоэлектронной микроскопии. «Этот метод приводит к получению структур с более низким разрешением, но, в отличие от рентгеновской кристаллографии, он позволил нам изучить Mgm1 в его связанной с мембраной форме», - говорит Катя Фельбер.
Это привело к открытию четвертого, ранее неизвестного домена Mgm1, который они назвали «весло». «С помощью этого удлиненного домена Mgm1 прикрепляется к внутренней митохондриальной мембране», - объясняет Оливер Даумке. «Кроме того, мы также определили контактные участки в стебле, которые необходимы для организации Mgm1 в филаменты». Это дало команде все необходимые кусочки головоломки для компьютерного моделирования процессов, происходящих на мембране.
Мутации в Mgm1 приводят к коллапсу митохондрий
Чтобы убедиться, что идентифицированные контактные поверхности имеют решающее значение для стабилизации внутренней митохондриальной мембраны, группа под руководством профессора Мартина ван дер Лаана из Медицинского центра Саарландского университета в Хомбурге заменила определенные аминокислоты в этих областях. «Действительно, белок потерял свою функцию», - говорит Оливер Даумке. «Митохондрии уже не образовывали характерных впячиваний внутренней мембраны и не сливались друг с другом.«Осталось много маленьких митохондриальных фрагментов, - добавляет он.
Наконец, группа профессора Аурела Ру из Женевского университета наблюдала в режиме реального времени, как Mgm1 прикрепляется к мембранам, с помощью флуоресцентной микроскопии. «Удивительным новым наблюдением стало то, что белок связывается не только с внешней стороной пробирок с искусственной мембраной, но и с внутренней», - говорит Катя Фельбер. «До сих пор это никогда не было описано для любого другого члена суперсемейства динаминов. Фактически, эта геометрия соответствует геометрии инвагинаций внутренней мембраны».
Улучшение нашего понимания генетической слепоты
Команда с оптимизмом смотрит на то, что новые результаты принесут пользу медицинским исследованиям. «Результаты нашего исследования могут объяснить, какие процессы нарушаются на протяжении всего течения атрофии зрительного нерва в глазу - как мутации в гене OPA1 вызывают дисфункцию белка», - говорит Оливер Даумке. Он добавляет, что, возможно, однажды это знание позволит найти терапию.(бро)