Импорт биомакромолекул в митохондрии Митохондриальные болезни и их

Импорт биомакромолекул в митохондрии Митохондриальные болезни и их лечение Каменский Петр Андреевич pkame@list. ru

Транслоказа внутренней мембраны TIM 23 -комплекс осуществляет (1) транспорт белков в митохондриальный матрикс и (2) встраивание некоторых белков во внутреннюю мембрану.

Коровый комплекс TIM 23 (TIM 23 CORE) 1. Tim 17 и Tim 23 формируют канал 2. Tim 50 поддерживает канал в закрытом состоянии в отсутствие предшественников 3. Tim 21 (неконститутивный компонент TIM 23 CORE) связывается с Tom 22 и облегчает перенос предшественников с TOM- на TIM 23 -комплекс.

Стадии транслокации предшественников через TIM 23 -комплекс в матрикс 1. Pam 17, связываясь с TIM 23 -комплексом со стороны матрикса, стимулирует высвобождение Tim 21 и проникновение сигнальной последовательности предшественника в матрикс.

Стадии транслокации предшественников через TIM 23 -комплекс в матрикс 2. К комплексу со стороны матрикса привлекаются белки Pam 16, Pam 18 и Tim 44. После этого Pam 17 спонтанно отсоединяется от комплекса.

Стадии транслокации предшественников через TIM 23 -комплекс в матрикс 3. Предшественник частично проникает в матрикс, где к его сигнальной последовательности присоединяется шаперон mt. Hsp 70, который, вместе с Tim 44, обеспечивает проникновение в матрикс остальной части белка.

Мотор импорта белков в митохондрии: как же он работает? В результате гидролиза АТФ mt. Hsp 70 связывается с импортируемым белком и претерпевает структурные изменения, в результате чего «наклоняется» перпендикулярно мембране. Таким образом, белок «протаскивается» в матрикс.

Мотор импорта белков в митохондрии: как же он работает? Импортируемый белок совершает «статистические» движения в канале. Как только белок немного продвинулся в сторону матрикса, с ним связывается молекула mt. Hsp 70, и это запрещает движение белка в обратную сторону. Процесс повторяется много раз, в результате чего белок оказывается целиком в матриксе. В настоящее время неизвестно, какая именно из двух моделей реализуется при импорте белков в митохондрии.

Транслокация предшественников через TIM 23 -комплекс во внутреннюю мембрану Некоторые белки встраиваются во внутреннюю мембрану непосредственно из TIM 23 -комплекса. Этот процесс не требует участия АТФ и обеспечивается только мембранным потенциалом.

Общая схема работы TIM 23 -комплекса

Транслоказа внутренней мембраны TIM 22 -комплекс встраивает во внутреннюю мембрану интегральные белки (например, АТФ/АДФ-переносчик). 1. Tim 22 – канальный белок 2. Tim 54 привлекает к комплексу малые Tim-белки 3. Tim 18 и Sdh 3 участвуют в сборке комплекса и регулируют его стабильность

Схема встраивания интегральных белков во внутреннюю мембрану 1. 2. 3. 4. Белок в цитозоле связывается с рецептором Tom 70 Белок транспортируется через внешнюю мембрану В межмембранном пространстве с белком связываются малые Tim-белки: Tim 9 и Tim 10 Эти белки переносят белок к TIM 22 -комплексу, он встраивается в канал, после чего происходит его латеральное открывание, и белок встраивается в мембрану

Отщепление сигнальных последовательностей импортируемых белков В настоящее время более или менее подробно описан только механизм отщепления N -концевых сигнальных последовательностей посредством MPP.

Общая схема отщепления сигнальных последовательностей

Импорт РНК в митохондрии

Импорт РНК в митохондрии – видоспецифичный процесс В митохондрии могу импортироваться т. РНК, 5 S р. РНК, а также РНК-компоненты РНКаз P и MRP (у млекопитающих)

Импорт т. РНК в митохондрии 1. Как происходит разделение т. РНК на импортируемые и неимпортируемые? 2. Как т. РНК попадают к поверхности митохондрий? 3. Как происходит собственно транслокация т. РНК через мембраны органеллы? 4. Имеет ли место регуляция этого процесса, и если да, то как она осуществляется?

Нуклеотидные детерминанты/антидетермининты импорта т. РНК в митохондрии Универсальных нуклеотидных детерминант не имеется.

Другие необходимые условия импорта РНК

Импорт т. РНК в митохондрии простейших Даже внутри группы простейших механизмы импорта т. РНК различаются.

Импорт т. РНК в митохондрии простейших 1. Импортируются все элонгаторные т. РНК 2. Для доставки т. РНК к поверхности митохондрий необходим e. EF 1 а 3. VDAC не принимают участия в импорте; мембранные белки, обеспечивающие импорт, неизвестны

Chlamydomonas – интересный случай импорта т. РНК в митохондрии Эффективность импорта различных т. РНК составляет от 0 до 100%. . . …и коррелирует с частотой использования соответствующих кодонов в митохондриях!

Импорт т. РНК в митохондрии растений 1. Растворимые цитозольные белки не требуются 2. Показаны три компонента внешней мембраны, принимающие участие в импорте: Tom 40, Tom 20, VDAC 3. Белки внутренней мембраны, необходимые для импорта, неизвестны

Импорт т. РНК в митохондрии дрожжей CCA-OH U G-C C-G U-G U-A G-C UU-A G (m 1 A) D AA G m 2 UC C C CC A G C G m 2 C AGGGG G TYC G C 2 G U m 2 GDA Y- AA U G m 7 A-U G U-A G-C A-Y A C U A t 6 C UU т. РЛ 1 Закодир. в ядерной ДНК 95% в цитозоле 5% в митохондриях CCA-OH G Y-A C-G U-A U-G G-Y U-A G (m 1 A) D GA AU U C CC A C U C Gm 2 D G AGGGG G TYC 2 GAGC G m 2 GDA C 5 Y- AA D U Y- A G m 7 C-G G-C A C U A t 6 U* U U U*=mnm 5 S 2 U т. РЛ 2 Закодир. в ядерной ДНК 100% в цитозоле CCA-OH A G-C A-U A-U U-A A-U C U AA C G A C CU A U D A UUUG G G C U G GT C Y U G AA A A C A U D G - CC A Y-A C U-A G-C Y-G C A U A t 6 U** U U U**=cmnm 5 U т. РЛ 3 Закодир. в митохондр. ДНК 100% в митохондриях Наиболее хорошо изученная система импорта РНК в митохондрии.

Необходимые условия импорта т. РЛ 1: 1. Нуклеотидные детерминанты импорта 2. Третичная структура т. РНК 3. АТФ и мембранный потенциал 4. Белки-компоненты аппарата импорта белков в митохондрии и/или порины 5. Растворимые цитозольные белки: - цитоплазматическая лизил-т. РНКсинтетаза (Krs 1 p) - энолаза 2 (Eno 2 p) - предшественник митохондриальной лизил-т. РНК-синтетазы (pre. Msk 1 p)

Енолаза-2 меняет структуру импортируемой т. РНК

Схема событий в цитозоле, предшествующих импорту т. РНК в митохондрии дрожжей

Роль т. РЛ 1 в митохондриях - ? ? ? D G G A A D A UUUG AAAC cmnm 5 S 2 U U G-C A-U A-U U-A A-U A CCA-OH CGA CC U C GCU GG T Y U U A G-C A C Y-A C U-A G-C Y-G C A U A t 6 U** U U т. РЛ 3 A A C CCA-OH U G-C C-G U-G U-A G-C (m 1 A) UU-A CG A D AA G m 2 U CCCC G C G m 2 C A GGGG G TYC GCGC 2 U m 2 G GDA U Y-AA A - U G G m 7 U-A G-C A- Y A C U A t 6 C UU т. РЛ 1 CCA-OH G Y -A C-G U-A U-G G- Y (m 1 A) U-A CGA D GA AU U CCCC G C U C G m 2 D A GGGG T C G Y GAGC 2 m 2 G C 5 G DA Y-AA D U Y-A G m 7 C-G G-C A C U A t 6 5 2 U* U U mcm S U т. РЛ 2 AAA / AAG ? AAG AAA

Адаптационный механизм митохондриальной трансляции дрожжей при повышенных температурах роста т. РЛ 3 при 37 С гипомодифицируется по wobble-положению антикодона, в связи с чем становится неспособной распознавать AAG-кодоны. В этих условиях присутствие т. РЛ 1 в митохондриях становится необходимым.

Импорт 5 S р. РНК в митохондрии млекопитающих

Нуклеотидные детерминанты/антидетерминанты импорта 5 S р. РНК

Белковые факторы импорта 5 S р. РНК в митохондрии клеток человека 1. Белок pre. MRP-L 18 обеспечивает связывание 5 S р. РНК с роданезой 2. Роданеза, связываясь с 5 S р. РНК, меняет свою конформацию и становится способной (видимо, в комплексе с 5 S р. РНК) проникать через внешнюю мембрану

5 S р. РНК входит в состав миторибосом клеток человека 5 S р. РНК детектируется только в присутствии обеих субъединиц. Видимо, их диссоциация приводит к высвобождению 5 S р. РНК из митохондриальных рибосом.

Полинуклеотидфосфорилаза (PNPase) – регулятор импорта РНК в митохондрии млекопитающих

Митохондриальные болезни и их лечение

Митохондриальный геном человека 13 белков, 22 т. РНК, 2 р. РНК

Мутации в мт. ДНК и их фенотипические проявления Respiratory Failure Optic Atrophy / Retinitis Pigmentosa CVA / Seizures / Dev. delay Cardiomyopathy Deafness Liver Failure Peripheral Neuropathy Short Stature Marrow Failure Diabetes Myopathy Thyroid. D isease

Мутации в мт. ДНК встречаются у каждого 500 -го жителя Земли (гетероплазмия)

Способы супрессии мутаций в митохондриальном геноме Мутация в гене белка Импорт соответствующего белка с сигнальным пептидом из цитозоля Мутация в гене р. РНК ? Мутация в гене т. РНК / протяженная делеция Импорт РНК в митохондрии На сегодняшний день все работы по супрессии таких мутаций сделаны ТОЛЬКО на культурах клеток человека (ни доклиники, ни клиники не делалось).

1. Импорт производных дрожжевых т. РНК в митохондрии клеток человека с мутациями в генах изоакцепторных т. РНК А. Мутация в гене т. РНК(Лиз) вызывает синдром MERRF

1. Импорт производных дрожжевых т. РНК в митохондрии клеток человека с мутациями в генах изоакцепторных т. РНК Б. Мутация в гене т. РНК(Лей) вызывает синдром MELAS

2. Импорт «мини-версий» дрожжевых т. РНК в митохондрии клеток человека с протяженной геномной делецией Вставочная последовательность «мини-РНК» комплементарна участку митогенома, образующемуся в результате делеции.

2. Импорт «мини-версий» дрожжевых т. РНК в митохондрии клеток человека с протяженной геномной делецией «Мини-РНК» , импортируясь в митохондрии клеток человека, связываются только с мутантными митохондриальными ДНК и блокируют их репликацию. В результате снижается уровень гетероплазмии, и клетки практически «выздоравливают» .

3. Опосредованный ферментом PNPase импорт гибридных РНК в митохондрии клеток человека РНКаза Р При слиянии митохондриальных т. РНК с «сигнальной» последовательностью, узнающейся PNPase, гибридные т. РНК импортируются в митохондрии и частично супрессируют мутации, приводящие к развитию синдромов MERFF и MELAS.