Сотрудники кафедры молекулярной биологии биологического факультета МГУ показали, что фактор инициации трансляции IF3 не является необходимым для биосинтеза белка в митохондриях клеток человека. Данное исследование может стать необходимой ступенью для создания системы митохондриальной трансляции in vitro, которая важна для тестирования лекарственных средств на «митохондриальную токсичность». Статья с описанием основных результатов исследования опубликована в журнале Scientific Reports.
Митохондрии – энегетические станции клетки – произошли от свободноживущих бактерий, которые 1-2 млрд лет назад были «захвачены» другой бактерией, но не подверглись перевариванию, а выжили внутри своего нового хозяина. С тех пор митохондрии стали обязательным компонентом почти любой животной или растительной клетки, отвечающим за биосинтез АТФ – главной энергетической молекулы. Бактерия – предшественник митохондрий обладала собственным геномом; сохранился он и у современных митохондрий, хотя и в сильно уменьшенном виде. Тем не менее митохондриальный геном всё же кодирует несколько белков, и в этих органеллах имеется полностью функциональная система биосинтеза белка (трансляции).
Долгое время считалось, что митохондриальная трансляция мало чем отличается от бактериальной. Однако работы последних лет показывают, что отличия есть, и их довольно много. В частности, несколько лет назад на кафедре молекулярной биологии биологического факультета МГУ было показано, что один из белковых факторов трансляции, помогающих рибосоме осуществлять биосинтез белка (третий фактор инициации, IF3), необязателен для трансляции в митохондриях дрожжей. Это был первый в истории мировой биологии случай успешного протекания трансляции без одного из факторов, ранее считавшихся обязательным.
Учёные продолжили исследования в данной области и в работе, опубликованной в апреле 2020 года в Scientific Reports, показали, что IF3 не является необходимым для биосинтеза белка также и в митохондриях человека.
Чтобы проверить, является ли белок IF3 необходимым для митохондриальной трансляции в клетках человека, необходимо было получить линию клеток с удалённым геном этого белка. Для этого использовалась широко известная технология редактирования генома CRISPR/Cas9. Технология сработала отлично, и была получена линия клеток с нефункциональным геном митохондриального IF3. Эти клетки были жизнеспособны, хотя чувствовали себя хуже, чем клетки с неизмененным геном. Это могло означать только то, что белок IF3 не является жизненно необходимым для клеток человека. После этого оценили эффективность биосинтеза белка в митохондриях и обнаружили, что она практически не изменилась по сравнению с нормальными, немутантными клетками! Тем не менее влияние на работоспособность митохондрий оказалось весьма серьёзным. Было обнаружено существенное ослабление потребления кислорода мутантными клетками (именно кислород в ходе цепочки последовательных химических реакций преобразуется в митохондриях в АТФ).
Профессор кафедры молекулярной биологии биологического факультета МГУ Пётр Каменский объясняет:
«Практическая ценность нашей работы довольно высока. Любое исследование, описывающее новые механизмы биосинтеза белка в митохондриях, приближает нас к созданию системы митохондриальной трансляции in vitro (собранной из очищенных индивидуальных компонентов). Такой системы до сих пор не существует, а между тем она была бы очень важна именно с практической точки зрения.
Дело в том, что существенное количество антибиотиков, используемых в медицинской практике, подавляет именно трансляцию в клетках патогенных бактерий. Поскольку митохондрии – дальние родственники бактерий, большинство таких антибиотиков в той или иной степени подавляет трансляцию и в митохондриях клеток пациентов, что приводит к развитию разнообразных побочных эффектов их приёма. Это свойство антибиотиков получило название „митохондриальная токсичность“. Чтобы иметь возможность быстро и эффективно тестировать антибиотики на такую токсичность, а также искать новые антибиотики, не обладающие митохондриальной токсичностью, и нужна система митохондриальной трансляции in vitro. Мы надеемся, что наши исследования помогут со временем разработать такую систему».
Работа целиком выполнена коллективом учёных МГУ, за исключением технической части, связанной с выращиванием клеток человека (РНИМУ имени Пирогова).