Mitohondrije su organele koje su poznate po tome što obezbeđuju energetsku valutu koja podstiče hemijske reakcije unutar ćelija, ali su takođe uključene u druge važne procese vitalne za zdravlje ćelija, uključujući urođeni imuni odgovor na patogene poput virusa, programiranu ćelijsku smrt i komunikaciju sa ostalima. ćelije — procesi koji svi igraju ulogu u zdravlju i bolesti. Signalni proteini koji služe kao interfejs mitohondrija sa ostatkom ćelije su ključni igrači u ovim procesima.
Spoljna površina mitohondrija, poznata kao spoljna mitohondrijalna membrana (OMM), je stoga centralna tačka kontrole dinamike mitohondrija i zdravlja ćelija i ispunjena je signalnim proteinima. Ćelija može da promeni sastav proteina OMM-a da bi prilagodila funkciju pojedinačnih mitohondrija, ali patogeni takođe mogu da manipulišu OMM pejzažom u svoju korist. Pored toga, neravnoteža u sastavu proteina OMM je povezana sa bolestima kao što su rak i neurodegenerativne bolesti uključujući Parkinsonovu i Alchajmerovu bolest.
Što bolje istraživači razumeju dinamiku ovih OMM proteina, više uvida mogu da steknu o ulogama koje oni igraju u mitohondrijalnim funkcijama i njihovoj važnosti za zdravlje i bolest. Zbog toga je član Instituta Vajthed Džonatan Vajsman, takođe profesor biologije na Tehnološkom institutu u Masačusetsu i istraživač Medicinskog instituta Hauard Hjuz; Alina Guna, zajednički postdoktor u Veissmanovoj laboratoriji i laboratoriji Rebecca Voorhees, asistent profesora Kalifornijskog instituta za tehnologiju; i Gaiathri Muthukumar, diplomirani student u Veissmanovoj laboratoriji, krenuli su da saznaju više o tome kako se stvara i reguliše jedan od glavnih podskupova OMM proteina — alfa-helikalni proteini.
Detaljan model istraživača o različitim putevima i molekulima uključenim u upravljanje ovim delom pejzaža OMM proteina objavljen je u časopisu Molecular Cell 29. februara.
„OMM alfa-helikalni proteini su velika i raznolika klasa, i to nas je dovelo do pitanja kako ćelija koordinira biosintezu ovih mnogo različitih proteina“, kaže Muthukumar. „Sada kada imamo širi, potpuniji osećaj uključenih specifičnih molekularnih igrača i načina na koji putevi funkcionišu, to nam omogućava da bolje razumemo OMM kao signalnu platformu i kako se time manipuliše u uslovima bolesti.“
Proteini koje su istraživači posmatrali su trans-membranski proteini, što znači da se ubacuju u spoljašnju membranu i prelaze preko nje. Oni su takođe alfa spiralni, što znači da imaju oblik zavojnice ili spirale u svojim trans-membranskim domenima, delovima proteina koji prolaze kroz membranu. Neki od proteina prelaze membranu samo jednom, sa jednim krajem izvan mitohondrija, a jednim krajem unutra. Drugi se presavijaju tako da se više puta utkaju u membranu i iz nje.
Transmembranski proteini su izazov za ćeliju da se pravilno sastavi. Osnovni delovi proteina se formiraju mašinama u glavnom delu ćelije, a zatim se moraju isporučiti u OMM. Trans-membranski domeni proteina su stabilni kada se umetnu, ali dok su proteini u nastajanju u glavnom telu ćelije, ovi domeni su nestabilni i skloni da se zgrudavaju.
Često, ovi proteini zahtevaju takozvane pratioce koji ih uparuju i štite na putu do OMM-a, inače će se razgraditi ili zgrudati. Zgrudavanje ne samo da sprečava proteine da dođu do OMM-a i tamo obavljaju svoj posao, već i pogrešne grudvice mogu same stvoriti probleme ćeliji. Drugi izazov je to što su transmembranski proteini skloni greškama u savijanju, što narušava njihovu funkciju i može doprineti bolesti.
Veissman i kolege su na taj način želeli da shvate koje mehanizme ćelija koristi da bi osigurala da se ovi proteini bezbedno isporuče i umetnu u OMM, ili da se proteini unište ako postoje greške u njihovoj sintezi. Istraživači su izvršili velike, sistematske genetske preglede koristeći pristup skrininga CRISPR interferencije (CRISPRi) koji su razvili Vajsman i saradnici da bi potražili molekule koji su potrebni da bi se postavili različiti OMM proteini.
Istraživači, predvođeni prvim autorom studije Muthukumarom, otkrili su da proteini prate različite puteve do OMM-a u velikoj meri u zavisnosti od dva faktora: da li prelaze membranu jednom ili više puta, i koji kraj proteina je okrenut ka spolja nasuprot unutra mitohondrija.
Istraživači su na kraju pronašli različite puteve za tri kategorije proteina: proteini usidreni signalom, koji prolaze kroz membranu jednom i imaju početak proteina okrenut unutra; proteini usidreni repom, koji jednom prolaze kroz membranu i imaju početak okrenut ka spolja; i politopni proteini, koji prolaze kroz membranu više puta (i izgleda da se oslanjaju na isti put bez obzira na signal i orijentaciju repa).
Istraživači su koristili svoj pristup skriningu da testiraju koji su molekuli neophodni za ispravnu isporuku, umetanje i kontrolu kvaliteta ili degradaciju svake kategorije OMM proteina. Otkrili su da proteini usidreni repom, koliko su mogli da pretpostave, ne zahtevaju nikakvu vrstu pratioca da bi došli do OMM-a. Proteini vezani za signal zahtevaju novi pratilac nazvan TTC1 čija je uloga u ćeliji ranije bila nepoznata.
Istraživači su izveli dalje eksperimente kako bi okarakterisali TTC1 i stekli uvid u to kako on stupa u interakciju sa OMM proteinima. Koristili su AI sistem nazvan AlphaFold da bi generisali modele TTC1 dobijene od veštačke inteligencije i sa ovim modelima identifikovali novi interfejs kroz koji TTC1 održava stabilne transmembranske domene u glavnom telu ćelije. Konačno, istraživači su otkrili da politopske proteine prati NAC kompleks, proteinski kompleks koji je bio poznat kao pratilac, ali samo za određenu klasu proteina; ovaj nalaz proširuje njegovu ulogu.
Većina puteva proteina se zatim konvergira na jednom putu za umetanje u OMM. Oni su pretežno vođeni insertazom (molekulom koji olakšava umetanje) MTCH2, koju su nedavno identifikovale laboratorije Veissman i Voorhes.
Pored toga, istraživači su stekli neke uvide u molekule koji vrše kontrolu kvaliteta na OMM proteinima, degradirajući ih kada postoji problem: otkrili su da se neki proteini repnog sidra mogu degradirati u glavnom telu ćelije od strane molekula UBKLN1, i sva tri tipa mogu se jednom razgraditi u OMM-u od strane molekula MARCHF5. Istraživači napominju da kontrola kvaliteta nije bila u fokusu njihove studije i da su dodatne studije potrebne da bi se saznalo više o mehanizmima kontrole kvaliteta.
Sve u svemu, ovi nalazi su omogućili istraživačima da naprave detaljnu mapu puteva kojima se alfa-helikalni proteini isporučuju i ubacuju u OMM, kao i da razumeju neke od načina na koje su regulisani za kontrolu kvaliteta. Obim nalaza bio je moguć samo zahvaljujući pristupima genetskog skrininga velikih razmera koje su Veissman i drugi razvili poslednjih godina.
„Gledajući više različitih tipova proteina i više proteina svakog tipa i sastavljajući sveobuhvatnu listu delova za njihovu sintezu, možemo da izvučemo i opšte principe za tipove proteina i idiosinkrazije svakog određenog proteina unutar to“, kaže Vajsman. „Mislim da ovaj projekat pokazuje kako možete koristiti sistematske pristupe i klasičnu ćelijsku biologiju da otvorite problem na glavni način u jednom radu.“
Ovi pristupi su omogućili istraživačima da prikupe ogromnu količinu podataka, koje nameravaju da nastave da analiziraju kako bi otkrili više o OMM proteinima i molekulima koji su u interakciji sa njima. Štaviše, istraživači se nadaju da njihovi trenutni nalazi mogu pružiti novi uvid u dinamiku OMM-a kao signalne platforme za ćeliju, čvorišta koje je uključeno u mnoge ključne procese u zdravlju i bolesti.
Razumevanje puteva koji kontrolišu sastav OMM proteina može pomoći istraživačima da otkriju kako promene ovog sastava utiču na funkciju i disfunkciju mitohondrija. Nalazi mogu čak na kraju omogućiti istraživačima da promene pejzaž proteina OMM, što bi moglo dovesti do terapija za bolesti povezane sa OMM od raka do neurodegeneracije do virusne infekcije.
„Zbog njihovog značaja, neravnoteža u OMM proteinima je povezana sa raznim bolestima“, kaže Guna. „Stoga, način na koji se ovi proteini prave nije samo fundamentalni problem u ćelijskoj biologiji, već ima i široke implikacije. Ako možemo da razumemo kako se ovi proteini prave, to nam daje mogućnost da intervenišemo u zdravim ili bolesnim stanjima da se promene sastav OMM proteoma i potencijalno usmeriti ćeliju ka određenoj sudbini ili dalje od nje.“
