БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 5, с. 642 - 650
УДК 576.54,577.311.347
МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ МИТОХОНДРИЙ
Обзор
© 2015 Е.Ю. Плотников1*, В.А. Бабенко2, Д.Н. Силачев1, Л.Д. Зорова3, Т.Г. Хряпенкова1, Е.С. Савченко4, И.Б. Певзнер12, Д.Б. Зоров1
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского,
119991 Москва; факс: +7(495)939-0338, электронный адрес:plotnikov@genebee.msu.ru
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Международный учебно-научный лазерный центр, 119991 Москва
4 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
биологический факультет, 119991 Москва
Поступила в редакцию 02.12.14
Описанное в последние годы явление межклеточного транспорта митохондрий привлекает внимание как фундаментальной науки, так и клинической медицины. Среди последствий передачи митохондрий — изменение направления дифференцировки стволовых клеток, перепрограммирование дифференцированных клеток и восстановление утраченных митохондриальных функций в клетках-реципиентах. В то же время механизмы транспорта митохондрий между клетками и условия, стимулирующие реализацию этого феномена, изучены пока недостаточно. Остается открытым вопрос возможности данного феномена in vivo. Кроме того, неясно, как на транспорт митохондрий в соматических клетках влияет система убиквитинирова-ния, которая, например, в яйцеклетке при оплодотворении уничтожает «чужеродные» митохондрии сперматозоида. Исследование этих процессов может дать мощный стимул для развития стратегий лечения ми-тохондриально-ассоциированных патологий и открыть новое направление терапевтического воздействия, основанного на «трансплантации митохондрий».
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, стволовые клетки, аксональный транспорт, туннельные нанотрубоч-ки, дифференцировка.
ТРАНСПОРТ МИТОХОНДРИЙ ВНУТРИ КЛЕТКИ
Транспорт митохондрий в клетках впервые обнаружен в нейронах, имеющих длинные аксоны [1]. Было выявлено, что митохондрии в таких клетках способны перемещаться из тела клетки на периферию, в область синаптических контактов (антероградный транспорт) и обратно с периферии в перинуклеарную зону (ретроградный транспорт). Считается, что подобное
Принятые сокращения: ТНТ — туннельные нано-трубочки, ММСК — мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки, 1Р8 — индуцированные плюрипо-тентные стволовые клетки, мтДНК — митохондриальная ДНК.
* Адресат для корреспонденции.
перемещение митохондрий служит для передачи энергии в места наибольших энергозатрат. Резкие изменения концентрации ионов натрия, калия и кальция в цитоплазме нейронов и других электровозбудимых клеток требуют затраты большого количества энергии для работы систем транспорта ионов и проведения нервного импульса [2].
В протяженных клетках места, наиболее обеспеченные субстратами и кислородом (часть клетки, прилегающая к кровеносному капилляру), могут быть значительно удалены от мест наибольшего энергопотребления. Проблема передачи энергии в этом случае может быть решена двумя способами. В первом варианте протяженная митохондрия играет роль электрического кабеля, передавая запасенную при дыхании энергию в виде трансмембранного потенциала [3].
В другом случае могут транспортироваться сами митохондрии, играя роль передвижных электростанций.
Аксональный транспорт митохондрий реализуется за счет системы микротрубочек, по которым через набор адапторных белков и белков-моторов осуществляется передвижение митохондрий в направлении синапсов и обратно [4].
Митохондриальное движение очень важно для нормального функционирования нейронов, а также самих митохондрий [5]. Транспорт служит не только для доставки митохондрий в зоны с высоким метаболизмом, но и для удаления поврежденных митохондрий (в частности, из-за избыточной продукции активных форм кислорода), которые должны быть доставлены к ауто-фагосомам.
Дефекты аксонального транспорта очень часто ассоциированы с различными неврологическими заболеваниями, например, с болезнью Альцгеймера [6].
МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ
МИТОХОНДРИЙ: МЕХАНИЗМЫ
Интересно, что активное исследование ми-тохондриального транспорта между клетками началось вместе с открытием туннельных на-нотрубочек (ТНТ) — межклеточных структур, для которых наиболее широко описаны механизмы транспорта органелл между клетками. Более того, некоторые исследователи считают [7], что наличие ТНТ является необходимым и достаточным условием транспорта митохондрий, о чем будет сказано ниже.
ТНТ представляют собой тонкие, ограниченные плазматической мембраной тяжи цитоплазмы, соединяющие клетки. Диаметр этих структур составляет 100—800 нм, а длина — до 100 мкм [8]. Формирующиеся ТНТ сначала напоминают филоподии, но, когда достигают соседней клетки и сливаются с ее мембраной, то образуют прямые неветвящиеся нити, не связанные с субстратом. В составе ТНТ находят F-ак-тин и моторные белки [8, 9], что говорит о возможности активного транспорта по этим структурам. Изначально описанные для клеток фео-хромоцитомы РС12 [9, 10], ТНТ затем были обнаружены в линиях клеток почки [11], различных типах иммунных клеток [12—14], гематопо-этических стволовых клетках [15], между эндо-телиальными прогениторными клетками и кар-диомиоцитами [16]. Мы также показали образование ТНТ между кардиомиоцитами и мульти-потентными мезенхимальными стромальными клетками (ММСК) [17], а затем между ММСК и
эпителиоцитами почечных канальцев [18]. К настоящему времени структуры, характеризуемые как ТНТ, описаны для многих типов межклеточных взаимодействий, но в большинстве случаев по крайней мере одним из партнеров является стволовая клетка [7].
Во многих исследованиях была показана возможность передачи по ТНТ органелл, в т.ч. митохондрий [7, 9, 10, 19]. В ряде случаев напрямую наблюдали движение митохондрий внутри нанотрубочек [16, 17]. Передача митохондрий может наблюдаться либо в уже сформированных ТНТ, либо в процессе формирования ТНТ, когда сначала образуется отросток у клетки-донора, затем он вытягивается и сливается с мембраной клетки-реципиента, образуя ТНТ [7—9]. Как уже говорилось выше, считается, что наличие ТНТ является необходимым и достаточным условием транспорта митохондрий. Необходимость ТНТ для транспорта органелл доказана несколькими исследованиями, в которых создавались условия, препятствующие формированию этих структур, например, интенсивная вибрация культуры или присутствие химических ингибиторов образования ТНТ, таких как цитоха-лазин D [9—11]. В этих случаях транспорт митохондрий не происходил или снижался в соответствии с тем, насколько снижалось число ТНТ. Достаточность ТНТ для передачи органелл показана в условиях охлаждения культуры, когда другие возможные механизмы переноса митохондрий (эндоцитоз, экзоцитоз, фагоцитоз) блокируются, а нанотрубочки не разрушаются и обеспечивают транспорт [9, 11].
Несмотря на то, что механизмы транспорта митохондрий по ТНТ требуют дальнейшего изучения, считается, что для каждой конкретной нанотрубочки органеллы могут двигаться лишь в одном направлении — от клетки, которая образовала эту ТНТ, в клетку, которая получила на-нотрубочку, но не наоборот [9]. Органеллы передаются за счет взаимодействия миозина с F-ак-тиновым цитоскелетом нанотрубочки. Некоторые исследования указывают на то, что блокирование миозина может препятствовать передаче органелл, в то же время транспорт может быть усилен за счет ингибирования ретроградного движения миозина [11]. Это говорит о том, что существует сложное взаимодействие механизмов антероградного и ретроградного движения органелл в направлении клетки-реципиента. Хотя целостная картина регуляции транспорта митохондрий по-прежнему не составлена, известен ряд участвующих в этом процессе белков. Так, точно известно, что в движении митохондрий участвуют ЯИо ГТФазы [20, 21], в то время как р-катенин и Е-кадгерин, скорее все-
го, отсутствуют в ТНТ [22]. Белки, которые присоединяют органеллы к миозину или поддерживают движение органелл в нанотрубочке, пока не идентифицированы, но уже имеется некое подобие «протеома туннельных нанотрубочек», состоящего из ~275 белков [23].
Наблюдаемое усиление межклеточного транспорта митохондрий при различных видах стресса [24, 25] связано, скорее, не с влиянием на механизмы самого транспорта, а с изменением формирования ТНТ. Большинство исследователей наблюдали усиление образования ТНТ при закислении среды, гипергликемии, удалении сыворотки или добавлении токсических агентов [24]. В культуре гиппокампальных нейронов и астроцитов образование нанотрубочек усиливалось при активации р53-зависимых сигнальных путей, а направление их роста зависело от градиента белка S100A4. Количество этого белка каспаз-зависимым образом снижается в поврежденных нейронах, которые становятся ТНТ-образующими клетками, тогда как клетки с высоким уровнем S100A4 становятся клетками-реципиентами [25].
Известно, что ТНТ не являются in vitro феноменом, подобные структуры, а значит и транспорт митохондрий через них, наблюдаются и in vivo. Нанотрубочки обнаружены в сердце мыши между кардиомиоцитами и фибробластами [26], некоторых опухолях у человека [27] и дендритных клетках роговицы глаза [28]. Транспорт митохондрий in vivo был продемонстрирован пока лишь в нескольких работах. В случае передачи митохондрий из ММСК в клетки альвеолярного эпителия при воспалительном повреждении этот процесс был сопряжен с формированием ТНТ и зависел от активности ряда соответствующих белков, в частности Rho ГТФаз [21, 29]. Однако в другом описанном случае переноса митохондрий из меланоцита в кератиноцит он происходил без формирования ТНТ путем от-шнуровывания от меланоцита везикул, содержащих митохондрии, и фагоцитоза их керати-ноцитом [30]. Таким образом, в организме существует, вероятно, несколько механизмов передачи митохондрий между клетками, и эти механизмы могут отличаться от описанных in vitro.
Следует упомянуть и некоторые другие примеры транспорта митохондрий за пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.