УДК 577.23
НУЖЕН ЛИ ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ДЛЯ СЛИЯНИЯ МИТОХОНДРИЙ?
Обзор
© 2015 Ю.Е. Караваева1, К.В. Шехирева1, Ф.Ф. Северин2, Д.А. Кнорре2*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва;
факс: +7(495)939-3181, электронная почта: knorre@belozersky.msu.ru
Поступила в редакцию 23.12.14 После доработки 13.01.15
Снижение трансмембранного потенциала митохондрий подавляет их способность к слиянию, что, в свою очередь, позволяет предотвратить воссоединение нефункциональных органелл с митохондриальной сетью клетки и приводит к деградации митохондрий, содержащих поврежденные макромолекулы, путем аутофа-гии. Однако является ли трансмембранный потенциал непосредственно тем фактором, который регулирует процесс слияния или его влияние лишь косвенно? В литературе есть множество свидетельств о том, что ингибирование АТР-синтазы нарушает равновесие процессов деления и слияния и приводит к фрагментации митохондрий. В то же время митохондрии дрожжей Saccharomyces cerevisiae, лишенные функциональной дыхательной цепи или обработанные разобщителем, сохраняют способность к слиянию. Деполяризованные митохондрии многоклеточных животных также сохраняют способность к слиянию в течение некоторого времени. Эти данные свидетельствуют о том, что сам по себе трансмембранный потенциал не является лимитирующим фактором при слиянии митохондрий. Кроме того, регуляция, основанная на непосредственном измерении трансмембранного потенциала, предполагает, что митохондрии с нефункциональной АТР-синтазой, но с работающей дыхательной цепью не будут отбраковываться в результате митофагии. Это должно приводить к накоплению мтДНК с мутациями в генах, кодирующих субъединицы АТР-синтазы. Мы предполагаем, что трансмембранный потенциал митохондрий не играет непосредственной роли в регуляции слияния митохондрий, но влияет на другие параметры, в частности на соотношение МТР/ЫБР в межмембранном пространстве митохондрий, которое, в свою очередь, регулирует их слияние.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, деление, слияние, трансмембранный потенциал, мтДНК, регуляция.
Митохондрии присутствуют практически во всех метаболически активных клетках эукариот, за исключением эритроцитов млекопитающих
[1], клеток эпителия хрусталика глаза животных
[2] и одноклеточных паразитических организмов микроспоридий, утративших митохондрии в процессе эволюции [3]. В клетке митохондрии образуют ретикулум (сеть), топология которого постоянно меняется из-за того, что отдельные
Принятые сокращения: мтДНК — митохондриаль-ная ДНК; NDP — нуклеотид-дифосфат; NTP — нуклеотид-трифосфат; CCCP — карбонилцианид-от-хлорфенилгидра-зон (carbonyl cyanide rn-chlorophenyl hydrazone); FCCP — карбонилцианид-4-трифторметокси-фенилгидразон (carbonyl cyanide-4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone).
* Адресат для корреспонденции.
элементы этой сети — митохондрии — регулярно сливаются и делятся. Соотношение частот этих процессов определяет структуру митохондри-ального ретикулума [4—6]. Замедление или полная остановка процесса деления приводит к образованию одной общей митохондриальной сети, а нарушение слияния — к фрагментации митохондрий (рис. 1). Какова роль динамики митохондрий в клетке? За счет слияния или деления митохондрий клетка может решать различные задачи.
1. Разделение цитоплазмы во время клеточного деления предполагает также распределение митохондрий между двумя образующимися клетками. Для этого, очевидно, необходимо деление митохондрий, предшествующее цитокинезу. Было показано, что в некоторых типах кле-
651
5*
ток структура митохондриального ретикулума меняется в зависимости от фазы клеточного цикла [7, 8], а средняя длина митохондриальных филаментов несколько больше в течение интерфазы, чем во время митоза [9]. В клетках почки крысы, экспрессирующих митохондриально адресованный флуоресцентный белок, можно наблюдать фрагментацию митохондриального ретикулума во время митоза [10], которая может быть необходима для равного распределения митохондрий между двумя новообразованными клетками [11].
2. Интенсивное дробление митохондрий является одним из этапов активации программы самоубийства клеток многоклеточных животных — апоптоза [12, 13]. В межмембранном пространстве митохондрий содержатся белки-трансдукторы каскада активации апоптоза: ци-тохром c [14], Л№ [15], 8МЛС и некоторые другие [16, 17]. При образовании пор во внешней мембране митохондрий эти белки выходят из
межмембранного пространства в цитоплазму, где связываются со своими рецепторами, инициируя дальнейшие события каскада. Однако выход вышеупомянутых белков может быть частично ограничен из-за образования внутренней мембраной митохондрий складок (крист), в полости которых и содержится большая часть данных белков [18]. Можно предположить, что деление митохондрий способствует перестройке внутренней структуры митохондрий и тем самым облегчает выход иммобилизованных в кристах белков. С другой стороны, возможна и непрямая связь между дроблением митохондрий и активацией апоптоза: недавно было показано, что изменение структуры митохондрий при делении способствует олигомеризации про-апоптотического белка Вах, в конечном счете приводящей к пермеабилизации внутренней мембраны митохондрий [19].
3. Слияние митохондрий происходит при слиянии гамет некоторых микроорганизмов, кото-
<
г
Слияние митохондрий
^^ШиуллА^УШу
Комплементация мтДНК Биогенез митохондрий
(Со) ФО)
Деление митохондрий
Защита от стресса Контроль качества митохондрий Сегрегация митохондрий при делении Транспорт митохондрий
Рис. 1. Структура митохондриального ретикулума определяется балансом процессов деления и слияния митохондрий. a — Клетки дрожжей с делетированным геном DNM1 (W303MATa dnm1::KanMX4); б — клетки дикого типа (W303MATa); в — клетки с делетированным геном митофузина FZO1 (W303 MATa fzo1::KanMX4). Структуру митохондрий визуализировали, экспрессируя в клетках белок GFP, слитый с сигналом митохондриальной локализации; г — схема иллюстрирует возможный эффект деполяризации внутренней мембраны митохондрий и функциональную роль слитого и фрагментирован-ного митохондриального ретикулума
рые, в отличие от большинства многоклеточных, получают мтДНК от обоих родителей. Примером таких организмов являются пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae. мтДНК, полученная при слиянии гаплоидных клеток дрожжей, быстро рекомбинирует в образовавшейся диплоидной клетке [20, 21]. В результате у потомков этой клетки за счет случайной сегрегации различных вариантов мтДНК будут возникать все возможные комбинации аллелей ми-тохондриального генома, которые можно получить из двух его вариантов, унаследованных от слившихся гаплоидных гамет. Таким образом, из двух мтДНК, содержащих различные «вредные» мутации в белок-кодирующих генах, может быть получен полностью функциональный вариант митохондриального генома [22]. Предполагают, что подобная комплементация мтДНК происходит в мышечных клетках многоклеточных животных [23]. Было показано, что подавление процессов слияния митохондрий приводит к мышечной атрофии и быстрому накоплению мутаций в мтДНК мышечных клеток [24].
4. Перестройка структуры митохондриаль-ной сети может быть ассоциирована с изменениями метаболизма клетки: в эмбриональных фибробластах мыши, синтезирующих большую часть ATP путем гликолиза, митохондрии представлены преимущественно в виде небольших отдельных органелл. В то же время, если эти клетки поместить в условия, способствующие интенсивному окислительному фосфорилиро-ванию, средняя протяженность отдельных митохондрий значительно увеличивается [25]. Можно также предположить, что в условиях стресса, при котором возможны нарушение работы комплексов дыхательной цепи и утечка протонов через внутреннюю мембрану, митохондрии делятся на более короткие фрагменты, чтобы локализовать возникшие повреждения в одной митохондрии. Было показано, что точечное повреждение участка протяженного мито-хондриального филамента лазером приводит к деполяризации большого участка митохондри-альной сети [26]. Очевидно, что более раздробленная структура митохондрий может препятствовать этому и предотвращать нежелательное рассеивание энергии клеткой [27].
5. Процессы слияния и деления митохондрий необходимы для контроля качества их содержимого [28]. Показано, что с определенной вероятностью от митохондриальной сети отделяется фрагмент — небольшая по размерам митохондрия, которая впоследствии деполяризуется [29]. Можно предположить, что сам процесс дробления митохондрий приводит к временному увеличению проводимости внутренней
мембраны. После этого митохондрия либо ре-энергизуется и вновь сливается с митохондри-альной сетью, либо поглощается с аутофагосо-мой и переваривается [29—31]. Совокупность этих процессов позволяет избавляться от поврежденных макромолекул, которые не могут быть удалены другим способом [32], и, как недавно предположили, препятствует накоплению и распространению мутантных форм мтДНК [33, 34].
Выполнение всех этих задач требует тщательной регуляции процессов слияния и деления митохондрий. В своем обзоре мы рассматриваем биоэнергетические аспекты регуляции митохондриальной динамики, уделяя особое внимание роли трансмембранного потенциала на внутренней мембране митохондрий в процессах их слияния и деления.
ДЕЛЕНИЕ МИТОХОНДРИЙ: МЕХАНИЗМ И СПОСОБЫ РЕГУЛЯЦИИ
Деление митохондрий в клетках животных осуществляется динамин-подобным белком Drpl, который образует олигомеры на поверхности наружной мембраны митохондрий [35]. Доменная структура этого белка достаточно консервативна, он содержит четыре домена: GTPазный, срединный, вариабельный и GTP-связывающий эффекторный домен (GED) [36]. Ранее подобный белок — Dnml — был обнаружен у грибов [37]. Dnml способен связываться с липидной мембраной и олигомеризоваться на ее поверхности, образуя спираль, которая может несколько раз опоясывать мембранную везикулу. В роли данной везикулы мо
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.