Митохондрии, органеллы-батарейки, питающие энергией почти каждую живую клетку, обладают завидным аппетитом на кальций. В пробирке или в живом организме, митохондрии большинства организмов жадно поглощают этот химический элемент. Так как уровни кальция связаны со многими важными биологическими процессами – не говоря уже о неврологических заболеваниях и диабете – ученые вот уже полстолетия работают над идентификацией молекулярного пути, делающего эти процессы возможными.

Митохондрия в цитоплазме эпителиальной клетки кишечника. Цилиндрическая митохондрия (синяя, в центре)
имеет две мембраны: наружную и внутреннюю, образующую кристы, где происходят химические реакции. Митохондрии обеспечивают клеточное дыхание: при окислении сахаров и жиров здесь образуется и запасается энергия. Поэтому их называют «энергетическими станциями» клетки. (Сканирующая электронная микроскопия).
(Фото: Professors P. Motta & T. Naguro/Science Photo Library)

После десятилетий неудачных попыток, основывавшихся на классической биохимии и очистке мембранных белков, доцент системной биологии Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School, HMS) Вамси Моота (Vamsi Mootha) и его коллеги открыли основной белок, управляющий кальциевой машиной митохондрии, проведя глубокий анализ цифровой базы данных и результатов лабораторных экспериментов.

«Этот канал интенсивно изучался физиологами и биофизиками, но его молекулярная идентичность оставалась неизвестной», – говорит Вамси Моота, являющийся также научным сотрудником Массачусетской общей больницы (Massachusetts General Hospital) и Института Брода (Broad Institute). «Но благодаря Проекту Геном Человека, общедоступным геномным базам данных и нескольким трюкам нам удалось добраться до сути».

Доцент кафедры системной биологии
Гарвардской медицинской школы
Вамси Моота (Vamsi Mootha).
(Фото: focushms.com)

В основе полученных результатов лежит работа Вамси и его группы, проделанная за последнее десятилетие. В 2008 году ученые опубликовали почти исчерпывающий атлас белков митохондрий человека и мыши. Этот атлас, названный МитоКартой (MitoCarta), состоял из чуть более 1000 белков, функции большинства из которых были неизвестны.

В опубликованной в сентябре 2010 году статье группа Мооты описала использование МитоКарты для идентификации первого белка, необходимого для поглощения кальция митохондрией. Их стратегия была проста. Они знали, что митохондрии человека и трипаносом (паразитических организмов), но не пекарских дрожжей, способны поглощать большое количество кальция. Проанализировав простое перекрывание профилей митохондриальных белков этих трех организмов, ученые выявили около 50 из 1000 белков, которые могли бы участвовать в поглощении кальция, и установили, что для этого процесса особенно важен один, названный ими MICU1.

«Это было большим достижением», – говорит Моота. «Мы показали, что MICU1 необходим для поглощения кальция, но, так как он не пронизывает мембрану, мы сомневались, что это и есть центральный компонент канала. Но то, что нам это дало, было живой наживкой, на которую можно было поймать более крупную рыбу».

Для такой «рыбалки» ученые традиционно использовали стандартные лабораторные методы, такие как связывание с белком биохимических «крючков». Они забрасывали их в цитоплазму клетки, а затем вытаскивали обратно в надежде, что на них «клюнет» другой, связанный с данным, белок. Но функция MICU1 как регулятора мембранного канала делала применение этого метода технически невозможным. Тогда студент Мооты Джошуа Боман (Joshua Baughman) и его постдокторант Фабиана Перокки (Fabiana Perocchi) отправились на рыбалку в общедоступные геномные базы данных.

С MICU1 в качестве точки отсчета, они детально изучили эти базы данных, содержащие РНК и белковые экспрессии всего генома, а также дополнительную базу данных с информацией о геномах 500 биологических видов, выделяя белки, профиль активности которых отражал таковой MICU1. Особое внимание исследователей привлек один белок с неизвестной функцией, даже не имевший названия. Ученые назвали его митохондриальным переносчиком кальция (mitochondrial calcium uniporter, MCU).

Конфокальная микрофотография человеческой клетки, экспрессирующей флуоресцентную версию MCU – недавно открытого белкового ключа к способности митохондрий поглощать кальций.
(Фото: Hany Girgis)

Чтобы подтвердить, что MCU играет центральную роль в поглощении кальция митохондриями, они прибегли к технологиям Alnylam Pharmaceuticals. Чтобы селективно нокаутировать гены как in vitro, так и in vivo, эта компания в качестве лабораторного инструмента использует РНК-интерференцию. С помощью одной из платформ Alnylam Pharmaceuticals ученые деактивировали ген MCU в печени мышей. Хотя немедленной реакции со стороны организма мышей не наблюдалось, митохондрии в ткани их печени потеряли способность абсорбировать кальций.

Это фундаментальное научное открытие может оказаться актуальным для лечения многих заболеваний человека.

«В течение десятилетий мы знаем, что для нейронов головного мозга человека, страдающих при нейродегенеративных заболеваниях, часто характерна перегрузка кальцием», – объясняет Моота, специалист в области редких митохондриальных заболеваний, наблюдающий пациентов в Массачусетской общей больнице. «Мы также знаем, что секреция многих гормонов, таких как инсулин, включается пиками концентрации кальция в цитоплазме клетки. Поглощение цитозольного кальция митохондриями может упорядочивать эти сигналы. MICU1 и MCU могут особенно заинтересовать ученых, изучающих взаимосвязь энергетического метаболизма с клеточным сигналингом. Пока еще слишком рано говорить об этом, но они могут оказаться ценными мишенями лекарственных препаратов для лечения целого ряда заболеваний – от ишемии и нейродегенерации до диабета».

Открытие опубликовано в журнале Nature.

Аннотация к статье

Integrative genomics identifies MCU as an essential component of the mitochondrial calcium uniporter