Поняття про наносвіт мітохондрій та організацію їх генетичного складу
Електростанції наших клітин: мітохондрії
Клітини ссавців мають ядро, в якому закодована основна частина генетичної інформації, та інші клітинні органели, які виконують різні функції всередині клітини. Одним з найважливіших компонентів клітин є мітохондрії (Рис. 1). Вони є так званими електростанціями клітин і відповідають за забезпечення організму енергією. Передбачається, що мітохондрії колись були незалежними бактеріями і що вони вступили в симбіоз із оригінальною, простою клітиною-попередницею. Вчені засновують цю гіпотезу на тому, що мітохондрії мають подвійну клітинну мембрану та власний спеціалізований геном. Цей мітохондріальний геном кодує деякі надзвичайно важливі білки, але лише в поєднанні з інформацією з клітинного ядра цільові функції можуть бути повністю виконані. Завдяки об’єднанню клітин-попередників та бактерій та подальшому подальшому розвитку цього симбіозу утворилася нерозривна та тонко регульована одиниця - еукаріотична клітина.
Рис. 1: Мітохондрії - це електростанції клітин. Клітинні органели оточені подвійною мембраною і мають власний геном (mtDNA). Компоненти дихального ланцюга розташовані у внутрішній мембрані. Транспорт електронів уздовж цих компонентів створює протонний градієнт, який рухає фермент АТФ-синтазу. Це створює аденозинтрифосфат (АТФ), універсальну «енергетичну монету», яку можна використовувати у всіх клітинах.
Універсальне джерело енергії забезпечує всі процеси в організмі
Мітохондрії - це обмежені органели, які оточені подвійною клітинною мембраною. Білкові комплекси дихального ланцюга розташовані у внутрішній мембрані. Під час дихання клітин енергія у вигляді молекули аденозинтрифосфату (АТФ) утворюється в процесі хеміосмотичного процесу. Для цього електрони передаються вздовж внутрішньої мітохондріальної мембрани від одного білкового комплексу до наступного, загалом за три станції. Зрештою, електрони переносяться на кисень, створюючи воду. У процесі транспорту електронів протони транспортуються назовні, що створює різницю зарядів по обидва боки внутрішньої мітохондріальної мембрани. Цей протонний градієнт використовується так званими АТФ-синтазами. За допомогою свого каналоподібного проходу протони можуть управлятися назад у внутрішню частину мітохондрії; енергія, доступна завдяки градієнту протона, використовується для генерування АТФ. АТФ - це проміжний запас енергії та універсальне джерело енергії, яке можна використовувати у всіх тканинах.
Деякі гени в мітохондріальній ДНК кодують певні субодиниці тих білків, які беруть участь у дихальному ланцюзі, тоді як інші субодиниці кодуються в клітинному ядрі. Отже, взаємодія між мітохондріальною та ядерною ДНК вимагає точної координації між двома геномами. Найменші порушення або неправильна продукція одного з цих білків призводять до дисфункції мітохондрій [1]. Згодом було описано низку клінічних патологій, таких як кардіоміопатія (серцева хвороба), деменція та атаксія (хвороба, яка проявляється в некоординованих рухах). Після накопичення мутацій у мітохондріальній ДНК та наслідків дисфункції мітохондрій були описані типові явища старіння, такі як розвиток остеопорозу, посивіння та випадіння волосся, зменшення ваги та втрата підшкірної жирової тканини, анемія, збільшення серця, глухота та зменшення тривалості життя. Крім того, було показано, що дисфункція мітохондрій сприяє розвитку вікових захворювань, таких як цукровий діабет та хвороба Паркінсона [2].
Нуклеоїди, організаційна одиниця в мітохондріях
На малюнку зображена клітина шкіри людини, мітохондрії (електростанції клітини) показані червоним кольором, ядро клітини синім, а генетичний матеріал мітохондрій - зеленим. Мітохондрії утворюють мережу, яка простягається по всій клітині. Вони забезпечують енергію, необхідну клітинам.
У самих мітохондріях генетичний матеріал і білки організовані в комплекси, так звані мітохондріальні нуклеоїди. Ці одиниці відіграють важливу роль у спадкуванні, оскільки мітохондріальний геном передається лише від матері до дитини (Рис.2).
Мітохондріальні нуклеоїдні комплекси можна зробити видимими у вигляді точкоподібних структур у мікроскопі. Межа роздільної здатності звичайної світлової мікроскопії становить близько 250 нанометрів, що відповідає мільйонній частці міліметра. Але навіть ця вражаюча роздільна здатність все ще занадто груба і дотепер не дозволяла отримати більш точне уявлення про структуру нуклеоїдів. Саме тут дослідники з Кельна, Гетеборга та Геттінгена почали з останньої мікроскопії STED з високою роздільною здатністю, яка була розроблена в Інституті біофізичної хімії Макса Планка в робочій групі Стефана Пекла. За допомогою цієї технології може бути досягнута роздільна здатність у 5 разів вища, ніж раніше (Рис.3).
STED-мікроскопія з високою роздільною здатністю дозволяє глибше зрозуміти організаційні структури мітохондріального геному. У показаній клітині мітохондрії (електростанції клітини) пофарбовані в червоний колір, ядро клітини - у синій колір, а генетичний матеріал мітохондрій - у зелений. Завдяки мікроскопії з надвисокою роздільною здатністю, окремі молекули геному вперше можна чіткіше відокремити одна від одної. Велику молекулу можна розбити на кілька невеликих, незалежних молекул. Нуклеоїд, організаційна структура в межах мітохондрій, містить лише одну молекулу генетичного матеріалу разом із приблизно 1000 молекулами пакувального білка TFAM. Таким чином, TFAM утворює головний компонент нуклеоїдів.
Ці фундаментальні уявлення про організаційну структуру генома мітохондрій мають особливе значення для розуміння захворювань, які передаються у спадок мітохондріям, тобто від матері до дитини. До них належать, наприклад, хронічно прогресуюча зовнішня офтальмоплегія (параліч очних м’язів), спадкова моторно-чутлива нейропатія (виснаження м’язів) та хвороба MELAS (мітохондріальна міопатія: серйозне неврологічне захворювання, що призводить до некоординованих рухів, а в рідкісних випадках таке, як мітохондріальний цукровий діабет йде разом).
Крім того, давно відомо, що існує зв'язок між електростанціями клітини та старінням. З віком у мітохондріальній ДНК можуть накопичуватися природні мутації, які впливають на вироблення енергії клітинами і, отже, на забезпечення органів.