Fuzja mitochondrialna
Mitochondria to dynamiczne organelle zdolne do fuzji i podziału ( rozszczepienia ), tworzące stale zmieniające się sieci rurkowe w większości komórek eukariotycznych. Ta dynamika mitochondriów, po raz pierwszy zaobserwowana ponad sto lat temu, jest ważna dla zdrowia komórki, a defekty dynamiki prowadzą do zaburzeń genetycznych . Dzięki fuzji mitochondria mogą przezwyciężyć niebezpieczne konsekwencje wadliwego działania genów. Proces fuzji mitochondriów obejmuje różne białka, które pomagają komórce w całej serii zdarzeń tworzących ten proces.
.jpg)
Przegląd procesu
Kiedy komórki doświadczają stresu metabolicznego lub środowiskowego , fuzja i rozszczepienie mitochondriów działa w celu utrzymania funkcjonalnych mitochondriów. Wzrost aktywności fuzyjnej prowadzi do wydłużenia mitochondriów, podczas gdy wzrost aktywności rozszczepienia powoduje fragmentację mitochondriów. Składniki tego procesu mogą wpływać na zaprogramowaną śmierć komórki i prowadzić do zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona . Taka śmierć komórki może być spowodowana zakłóceniami w procesie fuzji lub rozszczepienia.
Kształty mitochondriów w komórkach nieustannie się zmieniają poprzez połączenie rozszczepienia, fuzji i ruchliwości. W szczególności fuzja pomaga w modyfikowaniu stresu poprzez integrację zawartości lekko uszkodzonych mitochondriów jako formy uzupełnienia. Umożliwiając komplementację genetyczną , fuzja mitochondriów umożliwia dwóm genomom mitochondrialnym z różnymi defektami w obrębie tej samej organelli indywidualne kodowanie tego, czego brakuje drugiemu. W ten sposób te genomy mitochondrialne generują wszystkie niezbędne składniki funkcjonalnego mitochondrium.
Z rozszczepieniem mitochondriów
Połączone efekty ciągłej fuzji i rozszczepienia dają początek sieciom mitochondrialnym. Mechanizmy fuzji i rozszczepienia mitochondriów są regulowane przez proteolizę i modyfikacje potranslacyjne. Działania rozszczepienia, fuzji i ruchliwości powodują, że kształty tych organelli subkomórkowych związanych z podwójną błoną, które znamy jako mitochondria, nieustannie się zmieniają.
Zmiany w równowadze między tempem rozszczepienia i fuzji mitochondriów bezpośrednio wpływają na szeroki zakres długości mitochondriów, które można zaobserwować w różnych typach komórek. Wykazano, że szybkie rozszczepienie i fuzja mitochondriów w hodowanych fibroblastach sprzyja redystrybucji mitochondrialnego białka zielonej fluorescencji (GFP) z jednego mitochondrium do wszystkich pozostałych mitochondriów. Proces ten może zachodzić w komórce w ciągu zaledwie godziny.
Znaczenie rozszczepienia i fuzji mitochondriów jest odrębne dla nieproliferujących neuronów, które nie są w stanie przetrwać bez rozszczepienia mitochondriów. Takie nieproliferujące neurony powodują dwie ludzkie choroby znane jako dominujący zanik nerwu wzrokowego i choroba Charcota-Marie Tootha typu 2A, które są spowodowane defektami fuzji. Chociaż znaczenie tych procesów jest oczywiste, nadal nie jest jasne, dlaczego rozszczepienie i fuzja mitochondriów są konieczne dla komórek nieproliferujących.
Rozporządzenie
Zidentyfikowano wiele produktów genów kontrolujących fuzję mitochondriów i można je zredukować do trzech podstawowych grup, które również kontrolują rozszczepienie mitochondriów. Te grupy białek obejmują mitofuzyny, OPA1 /Mgm1 i Drp1/ Dnm1 . Wszystkie te cząsteczki są białkami hydrolizującymi GTP ( GTPazy ), które należą do dynaminy rodzina. Dynamika mitochondriów w różnych komórkach jest rozumiana na podstawie sposobu, w jaki te białka regulują i wiążą się ze sobą. Te GTPazy kontrolujące fuzję mitochondriów są dobrze konserwowane między ssakami, muchami i drożdżami. Mediatory fuzji mitochondrialnej różnią się między zewnętrzną i wewnętrzną błoną mitochondriów. Określeni członkowie rodziny dynamin zakotwiczonych w błonie pośredniczą w fuzji między zewnętrznymi błonami mitochondrialnymi znanymi jako Mfn1 i Mfn2 . Te dwa białka to mitofuzyna zawarta u ludzi, która może zmieniać morfologię dotkniętych mitochondriów w warunkach nadekspresji. Jednak pojedynczy członek rodziny dynamin znany jako OPA1 u ssaków pośredniczy w fuzji między wewnętrznymi błonami mitochondriów. Te regulujące białka fuzji mitochondrialnej są zależne od organizmu; dlatego u Drosophila (muszek owocowych) i drożdży proces ten jest kontrolowany przez mitochondrialną przezbłonową GTPazę, Fzo. W Drosophila , Fzo znajduje się w postmejotycznych spermatydach, a dysfunkcja tego białka skutkuje męską bezpłodnością. Jednak delecja Fzo1 w pączkujących drożdżach skutkuje mniejszymi, kulistymi mitochondriami z powodu braku mitochondrialnego DNA (mtDNA).
apoptoza
Równowaga między fuzją mitochondriów a rozszczepieniem w komórkach jest podyktowana regulacją w górę iw dół mitofuzyn, OPA1/Mgm1 i Drp1/Dnm1. Apoptoza , czyli zaprogramowana śmierć komórki , rozpoczyna się od rozpadu mitochondriów na mniejsze części. Proces ten wynika z regulacji w górę Drp1/Dnm1 i regulacji w dół mitofuzyn. Później w cyklu apoptozy następuje zmiana aktywności OPA1/Mgm1 w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Rolą białka OPA1 jest ochrona komórek przed apoptozą poprzez hamowanie uwalniania cytochromu c . Po zmianie tego białka następuje zmiana w strukturze cristae, uwolnienie cytochromu c i aktywacja niszczących enzymów kaspazy. Wynikające z tego zmiany wskazują, że struktura wewnętrznej błony mitochondrialnej jest powiązana ze szlakami regulacyjnymi wpływającymi na życie i śmierć komórki. OPA1 odgrywa zarówno genetyczną, jak i molekularną rolę w fuzji mitochondriów i przebudowie cristae podczas apoptozy. OPA1 istnieje w dwóch formach; pierwszy jest rozpuszczalny i znajduje się w przestrzeni międzybłonowej, a drugi jako integralna forma błony wewnętrznej, współpracują ze sobą w celu restrukturyzacji i kształtowania cristae podczas i po apoptozie. OPA1 blokuje wewnątrzmitochondrialną redystrybucję cytochromu c, która prowadzi do przebudowy cristae. OPA1 działa w celu ochrony komórek z dysfunkcją mitochondriów z powodu niedoborów Mfn, podwójnie dla tych, którym brakuje Mfn1 i Mfn2, ale odgrywa większą rolę w komórkach z niedoborami tylko Mfn1, w przeciwieństwie do niedoborów Mfn2. Dlatego wspiera się, że funkcja OPA1 zależy od ilości Mfn1 obecnego w komórce w celu promowania wydłużenia mitochondriów.
U ssaków
Oba białka, Mfn1 i Mfn2, mogą działać razem lub osobno podczas fuzji mitochondrialnej. Mfn1 i Mfn2 są do siebie podobne w 81% i około 51% podobne do Drosophila . Opublikowane wyniki badania mającego na celu określenie wpływu fuzji na strukturę mitochondriów ujawniły, że komórki z niedoborem Mfn wykazywały albo wydłużone komórki (większość), albo małe, kuliste komórki po obserwacji.
Białko Mfn ma trzy różne sposoby działania: oligomery homotypowe Mfn1 , oligomery homotypowe Mfn2 i oligomery heterotypowe Mfn1-Mfn2. Sugerowano, że rodzaj komórki determinuje sposób działania, ale nie ustalono jeszcze, czy Mfn1 i Mfn2 pełnią tę samą funkcję w procesie, czy też są oddzielne. Komórki pozbawione tego białka podlegają poważnym defektom komórkowym, takim jak słaby wzrost komórek, niejednorodność potencjału błony mitochondrialnej i zmniejszone oddychanie komórkowe .
Fuzja mitochondrialna odgrywa ważną rolę w procesie rozwoju embrionalnego , o czym świadczą białka Mfn1 i Mfn2. Korzystanie z nokautu Mfn1 i Mfn2 myszy, które umierają w macicy w połowie ciąży z powodu niedoboru łożyska, wykazano, że fuzja mitochondrialna nie jest niezbędna do przeżycia komórek in vitro, ale jest niezbędna do rozwoju embrionalnego i przeżycia komórek na późniejszych etapach rozwoju. Myszy Mfn1 Mfn2 z podwójnym nokautem, które umierają jeszcze wcześniej w rozwoju, zostały odróżnione od „pojedynczych” myszy z nokautem. Fibroblasty zarodków myszy (MEF) pochodzą od myszy z podwójnym nokautem, które przeżywają w hodowli, mimo że występuje całkowity brak fuzji, ale części ich mitochondriów wykazują zmniejszone mitochondrialne DNA ( mtDNA ) liczba kopii i utrata potencjału błonowego. Ta seria zdarzeń powoduje problemy z trifosforanu adenozyny (ATP).
Rodzina fuzji wewnętrznej / zewnętrznej błony mitochondrialnej (MMF).
Rodzina fuzji mitochondrialnej wewnętrznej/zewnętrznej błony komórkowej (MMF) ( TC# 9.B.25 ) to rodzina białek, które odgrywają rolę w zdarzeniach fuzji mitochondrialnej. Ta rodzina należy do większej nadrodziny nośników mitochondrialnych (MC) . Dynamiczny charakter mitochondriów ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania. Chen i Chan (2010) omówili molekularne podstawy fuzji mitochondriów, jej ochronną rolę w neurodegeneracji oraz jej znaczenie dla funkcji komórkowych. Ssacze mitofuzyny Mfn1 i Mfn2, GTPazy zlokalizowane w błonie zewnętrznej, pośredniczą w fuzji błony zewnętrznej. OPA1, GTPaza związana z błoną wewnętrzną, pośredniczy w późniejszej fuzji błony wewnętrznej. Mutacje w Mfn2 lub OPA1 powodują neurodegeneracyjne . Fuzja mitochondrialna umożliwia mieszanie zawartości w obrębie populacji mitochondrialnej, zapobiegając w ten sposób trwałej utracie niezbędnych składników. Komórki ze zmniejszoną fuzją mitochondriów wykazują subpopulację mitochondriów pozbawionych nukleoidów mtDNA. Takie defekty mtDNA prowadzą do mitochondriów z niedoborem oddychania, a ich nagromadzenie w neuronach prowadzi do upośledzonego wzrostu procesów komórkowych iw konsekwencji do neurodegeneracji.
Członkowie rodziny
Reprezentatywna lista białek należących do rodziny MMF jest dostępna w Transporter Classification Database .
- 9.B.25.1.1 - Kompleks fuzyjny mitochondrialnej błony wewnętrznej/zewnętrznej, Fzo/Mgm1/Ugo1. Tylko białko Ugo1 należy do nadrodziny MC.
- 9.B.25.2.1 - Kompleks fuzyjny błony mitochondrialnej ssaków, kompleks mitofuzyny 1 (Mfn1)/Mfn2/białka atrofii optycznej 1 (OPA1). Ta podrodzina obejmuje mitofuzyny 1 i 2.
Mitofuzyny: Mfn1 i Mfn2
Mfn1 i Mfn2 ( odpowiednio TC# 9.B.25.2.1 ; Q8IWA4 i O95140 ) w komórkach ssaków są wymagane do fuzji mitochondrialnej, Mfn1 i Mfn2 posiadają różnice funkcjonalne. Na przykład tworzenie struktur na uwięzi in vitro zachodzi łatwiej, gdy mitochondria są izolowane z komórek z nadekspresją Mfn1 niż Mfn2. Ponadto wykazano, że Mfn2 kojarzy się z Baxem i Bakem (rodzina Bcl-2, TC#1.A.21 ), co skutkuje zmienioną aktywnością Mfn2, co wskazuje, że mitofuzyny posiadają unikalne cechy funkcjonalne. Otwory lipidowe mogą otwierać się na przeciwległych dwuwarstwach jako półprodukty, a fuzja w miocytach serca jest połączona z destabilizacją zewnętrznej błony mitochondrialnej, która jest oportunistycznie wykorzystywana podczas przejścia przepuszczalności mitochondriów.
Mutacje w Mfn2 (ale nie w Mfn1) powodują zaburzenie neurologiczne, zespół Charcota-Mariego-Tootha . Mutacje te można uzupełnić przez tworzenie heterooligomerów Mfn1 – Mfn2 CMT2A , ale nie homooligomerów Mfn2 + –Mfn2 CMT2A . Sugeruje to, że w kompleksie heterooligomerycznym Mfn1 – Mfn2 każda cząsteczka jest funkcjonalnie odrębna. Sugeruje to, że kontrola poziomów ekspresji każdego białka prawdopodobnie stanowi najbardziej podstawową formę regulacji zmieniającej dynamikę mitochondriów w tkankach ssaków. Rzeczywiście, poziomy ekspresji Mfn1 i Mfn2 różnią się w zależności od typu komórki lub tkanki, podobnie jak morfologia mitochondriów.
Drożdżowe mitochondrialne białka fuzyjne
U drożdży trzy białka są niezbędne do fuzji mitochondriów. Fzo1 ( P38297 ) i Mgm1 ( P32266 ) są konserwatywnymi trifosfatazami guanozyny, które znajdują się odpowiednio w błonach zewnętrznych i wewnętrznych. Na każdej błonie te konserwowane białka są wymagane do różnych etapów wiązania błony i mieszania lipidów. Trzecim istotnym składnikiem jest Ugo1, białko błony zewnętrznej z regionem homologicznym, ale daleko spokrewnionym z regionem z rodziny nośników mitochondrialnych (MC). Hoppins i in. , 2009 wykazało, że Ugo1 jest zmodyfikowanym członkiem tej rodziny, zawierającym trzy domeny transbłonowe i istniejącym jako dimer, struktura, która jest krytyczna dla funkcji fuzji Ugo1. Ich analizy Ugo1 wskazują, że jest on wymagany zarówno do fuzji błony zewnętrznej, jak i wewnętrznej po uwiązaniu błony, co wskazuje, że działa na etapie fuzji mieszania lipidów. Ta rola różni się od białek związanych z dynaminą fuzyjną, a zatem pokazuje, że na każdej błonie pojedyncze białko fuzyjne nie jest wystarczające do kierowania etapem mieszania lipidów. Zamiast tego ten krok wymaga bardziej złożonego zestawu białek. Nie wykazano jeszcze tworzenia się porów fuzyjnych. Białko Ugo1 jest członkiem Nadrodzina MC .
