O proteină recent descoperită reglează spațiul dintre membranele mitocondriale
Mitocondriile sunt mici unități energetice ce furnizează cea mai mare parte a energiei necesare celulelor noastre.
Capacitatea lor de a genera energie depinde de o arhitectură distinctivă: două membrane, una în interiorul celeilalte, separate de un spațiu îngust numit spațiul intermembranar (IMS). Acest spațiu mic ajută la susținerea chimiei producției de energie, făcând organizarea sa critică pentru funcționarea acestor unități energetice celulare.
Acum, un nou studiu condus de un investigator de la Facultatea de Medicină a Universității din Ottawa raportează o descoperire potențial transformatoare: volumul IMS este controlat genetic și ajustabil. Prin controlul expansiunii sau restrângerii acestui spațiu în fiecare mitocondrie, celulele pot modela activ arhitectura internă a unităților lor energetice și ajusta modul în care acestea funcționează.
Publicat în Science Advances, studiul identifică SPRIZ – prescurtare pentru „SPatial Regulator of the mitochondrial Intermembrane Zone” – ca o proteină cheie pe care celulele o folosesc pentru a modela arhitectura internă a unităților lor energetice.
Această descoperire deschide o nouă cale de înțelegere a modului în care perturbările în acest spațiu delicat pot contribui la boli în care mitocondriile nu reușesc să satisfacă nevoile energetice ale celulelor sau în care unitățile energetice deteriorate nu sunt întreținute sau eliminate corespunzător, așa cum se întâmplă în boala Parkinson.
SPRIZ: Un stâlp molecular
Colaborând cu parteneri de la Universitatea din Ottawa și din Statele Unite, echipa a combinat simulări computerizate ale mișcării moleculare, genetica, analiza proteică la scară largă și imagistica avansată, inclusiv tomografia electronică tridimensională. Aceste abordări au arătat cum SPRIZ leagă cele două membrane mitocondriale, formând un stâlp molecular care menține spațiul dintre ele deschis.
Această abilitate de a conecta membrane în timp ce le menține separate este ceea ce face SPRIZ distinctiv, explică Dr. Luca Pellegrini. Deși multe ancore membrane aduc membranele suficient de aproape pentru a schimba materiale, SPRIZ pare să folosească acea conexiune pentru a menține un spațiu definit.
„Ceea ce face SPRIZ atât de neașteptat este că folosește un mecanism familiar – o ancoră – pentru a face ceva diferit: leagă cele două membrane mitocondriale în timp ce acționează ca un stâlp rigid care le menține la o distanță stabilită, astfel încât spațiul dintre ele păstrează o înălțime definită”, explică Dr. Pellegrini.
Întreaga echipă a testat acest sistem molecular de spațiere: modificarea sa în experimente de laborator a schimbat semnificativ dimensiunea IMS. Asemănător cu ajustarea înălțimii unui tavan, schimbarea acestor suporturi moleculare a remodelat spațiul interior. Descoperirile arată că celulele au instrucțiuni genetice pentru a stabili dimensiunile acestui spațiu esențial, oferindu-le control asupra aranjamentului intern al unităților lor energetice.
De ce contează câțiva nanometri
Chiar și o schimbare mică în spațiul dintre membrane mitocondriale poate influența ce se întâmplă în interiorul acestuia. Când echipa a extins IMS, moleculele au obținut un acces mai mare la acest spațiu, în timp ce absorbția calciului mitocondrial s-a modificat, arătând că dimensiunile sale ajută la controlul modului în care semnalele ajung la mecanismele din interiorul acestor unități energetice celulare.
„O schimbare de doar câțiva nanometri în înălțimea acelui spațiu este suficientă pentru a încetini calciul care trebuie să-l traverseze pentru a ajunge la reactor”, spune Dr. Pellegrini.
Experimentele pe șoareci au arătat cât de precis acționează SPRIZ. Eliminarea genei a modificat distanța dintre membrane mitocondriale, lăsând intactă structura generală a mitocondriilor. Șoarecii au rămas viabili, permițând echipei să facă distincția între o modificare țintită în IMS și daune extinse ale unităților energetice.
Echipa a demonstrat, de asemenea, că SPRIZ poate fi folosit pentru a adapta acest spațiu. Prin inginerizarea unei versiuni mai lungi a stâlpului molecular, cercetătorii au împins membranele mai departe una de cealaltă și au măsurat cum IMS extins a afectat accesul molecular și absorbția calciului. Această abilitate de a adapta dimensiunile IMS le oferă cercetătorilor o modalitate de a testa dacă diferite funcții din aceste unități energetice celulare necesită cantități diferite de spațiu.
O nouă dimensiune în evoluția mitocondrială
Echipa a găsit dovezi ale aceleași arhitecturi a stâlpului molecular la oameni și la fiecare altă specie vertebrată examinată. Această caracteristică comună se întoarce cu aproximativ 500 de milioane de ani: analiza lor evolutivă plasează apariția SPRIZ în jurul originilor vertebratelor și o găsește absentă în plante, ciuperci – inclusiv drojdia – și în nevertebrate precum spongii, viermii și insectele.
Pentru Dr. Pellegrini, aceasta deschide o perspectivă mai largă asupra modului în care unitățile energetice celulare au evoluat pentru a răspunde cerințelor în schimbare ale vieții animale. Pe măsură ce animalele s-au diversificat în dimensiuni ale corpului, țesuturi și organe, mitocondriile lor au trebuit să susțină sarcini din ce în ce mai variate, adaptându-se în același timp la fluctuațiile în aprovizionarea cu nutrienți și nevoile energetice. Apariția SPRIZ ar fi putut oferi celulelor vertebratelor o modalitate suplimentară de a răspunde acestor cerințe: adaptarea dimensiunilor IMS la activitatea pe care o desfășoară fiecare celulă.
Aceasta plasează descoperirea într-o poveste evolutivă mai largă, în care mitocondriile s-au adaptat nu doar prin modificări ale mecanismului lor molecular, ci și prin controlul asupra spațiului în care acel mecanism funcționează.
Colaborare științifică
Descoperirea a adus împreună expertiză în metabolismul mitocondrial, fiziologie și evoluție. La Facultatea de Medicină a Universității din Ottawa, colaboratorii au inclus pe Dr. Mary-Ellen Harper, Eric Lee, Morgan Fullerton și Yan Burelle. Echipa a beneficiat, de asemenea, de contribuțiile a doi oameni de știință proeminenți din SUA: biologul mitocondrial Dr. György Hajnóczky și biologul evoluționist Dr. Eugene Koonin.
„Faptul că oameni de știință cu o astfel de reputație au ales să se alăture efortului vorbește despre importanța întrebărilor pe care această descoperire le deschide”, afirmă Dr. Pellegrini.
În centrul acestui efort s-au aflat studenții săi: Raman Shulinski, Roman Loban și Victoria Caminiti. Contribuțiile lor au ajutat la transformarea unei întrebări despre cele mai mici dimensiuni ale mitocondriilor într-o descoperire cu implica
