Integrated Analysis of Protein Composition, Tissue Diversity, and Gene Regulation in Mouse Mitochondria Cell V.115, No5, P.629-640, 2003 | |
|
Митохондрии у млекопитающих являются повсеместными органеллами, отвечающими за 90% продукции АТФ в клеточном дыхании. Они хорошо известны своим участием в oxidative phosphorylationm (OXPHOS), а также в энзимах, необходимых для метаболизма свободных жирных кислот, и в цикле Кребса. Ключевые ступени биосинтеза гема, генерации кетоновых тел и синтеза гормонов также находятся в этой органелле. Митохондрии генерируют большую часть клеточных видов реактивного кислорода (ROS) и обладают специализированной системой очистки для защиты самих себя и клтоко от этих токсических побочных продуктов. Более того, органеллы являются критическими ля передачи сигналов клеточного кальция и содержат ключевую кухню для запрограммированной клеточной гибели, служа как пропускной механизм (gatekeeper) для апоптоза. Учитывая их вклад в клеточную физиологию, неудивительно, что эта органелла м. играть важную роль в болезнях человека, таких как диабет, ожирение, рак, старение, нейродегенерации и кардиомиопатии (Wallace, 1999)
Митохондрии содержат свою собственную ДНК (mtDNA), которая является компактным геномом, кодирующим только 13 полипептидов. Благодаря редуктивной эволюции набор генов, составлявших у исходных эубактериальных предшественников современных миитохондрий, был или потерян или перенесен с vnLYR в ядерный геном (Andersson et al., 1998). Благодаря экспансивному процессу митохондрии приобрели также новые белки и функции. Точное количество митохондриальных белков у млекопитающих неизвестно, но подсчёты, базирующиеся на сравнении с ближайшими родственниками митохондрий млекопитающих, с Rickettsia prowazakeii и с Saccharomyces cerevisiae (Kumar et al., 2002) и исследования с помощью двумерного электрофореза изолированных митохондрий млекопитающих (Lopez et al., 2000) указывают на то, что органелла содержит около 1200 белков. Сегодня известно только 600-700 митохондриальных белков (Вф Cruz et al., 2003; Lopez et al., 2000; Ozawa et al., 2003; Taylor et al., 2003; Westermann and Neupet, 2003).
Классическая ЭМ демонстрирует морфологические различия митохондрий от разных типов клеток (Ghadially, 1997). Более того, продуктивность митохондрий, количество копий мтДНК,, энзиматическая стохиометрия, характер утилизации углеродного субстрата и биосинтетические пути м.б. специализированы (Stryer, 1988; Veltri et al., 1990; Vijayasarathy et al., 1998). Несмотря на это очевидное физиологическое разнообразие, мало известно о молекулярных основах этих различий и степени, с которой митохондриальный состав варьирует в разных тканях.
Нами создан список уже описанных митохонрдриальных белков у мышей и человека благодаря MITOchondria Project (MITOP) и базе данных . После удаления перекрываний список стал содержать 428 отдельных мышинных белков. Мы не включали человеческие митохондриальные белки, недавно описанные (Taylor et al., 2003), уже после составления списка.
Протеомные и геномные технологии открывают возможность изучения этих свойств. Мы использовали базирующуюся на масс-спектрометрии протеомику для выявления профилей митохондрий из разных тканей. Изучали митохондрии из головного мозга, сердца, почек и печени мышей (см.). Составлен список из 591 митохондриального белка, включая 163 обнаруженных белка, ранее не ассоциированных с этой органеллой. Выявлены ткане-специфические различия в составе органелл. Профили экспрессии РНК в разних тканях выявляют группы митохондриальных генов с общими функциональными и регуляторными механизмами. Выявлены также крупные объединения генов, чья экспрессия тесно скоррелирована с митохондриальными генами.
Наши исследования по профилированию выявили сотни генных продуктов, которые или локализуются в этой органелле или тесно корегулируются с митохондриальными генами, предложена новая гипотеза о составе органеллы и о том, как гены м. обеспечивать специализированную функцию митохондрий. Интеграция полученных баз данных является первой ступенью на пути функционального описания вновь идентифицированных белков , а также понимания регуляторной организации всех митохондриальных генов.
Наш протеомный анализ оказался чувствительным на 55% , следовательно, м. предсказать нехватку ещё не менее 133 новых митохондриальных белков. Исходя из этого м. предположить, что действительное количество mito-A генов д. составлять 725. Т.к. хорошо описанные белки скорее всего представляют собой наиболее многочисленные белки, поддающиеся анализу традиционными биохимическими подходами, то подсчёты скорее всего представляют собой низшую границу митохондриального протеома.
Протеомика и профилирование экспрессия РНК предоставлют доплняющие др. др. сведения. Список mito-A состоит на сегодня их 591 гена, чьи продукты располагаются внутри или в тесной ассоциации с митохондриями, тогда как митохондриальное экспрессивное содружество (neighborhood) включет большую группу из 643 генов, чьи профили транскрипции тесно коррелируют с таковыми для mito-A. Expression neighborhood mito-CR содержит большую фракцию mito-A генов и дополнительные гены, некоторые из которых м. кодировать продукты, которые действительно располагаются в митохондриях, тогда как др. нет, но м.б. связаны с митохондриальным биогенезом и функциями.
Механизмы, которые обеспечивают клеточно-специфичные отличия в форме и функции митохондрий неизвестны. Как митохондрия ремоделируется в ответ на изменения пищевого статуса и энергаетических потребностей или на болезненное состояни, такое как рак и диабет пока неясно. Возможно, что транскрипционные механизмы работают сочетанно с процессингом мРНК и механзмами доставки белка, чтобы в точности воспроизвести необходимую стохиометрию митохондрии.
| |
)