درون میتوکندری و ژنوم جذاب آنها

0

درون میتوکندری و ژنوم جذاب آنها

درون میتوکندری و ژنوم جذاب آنها میتوکندری در همه سلولهای یوکاریوتی وجود دارد: در سلولهای ما ، در سلولهای پستانداران ، در سلولهای گیاهان و حتی قارچ ها. میتوکندری برای عملکرد سلول ها به عنوان موجودات چند سلولی انرژی تولید می کند و به عنوان “نیروگاه” سلول شناخته می شود. درون میتوکندری ، اطلاعات ژنتیکی ساخت این انرژی نهفته است.

سولیانا مانلی ، بیوفیزیکدان EPFL و تیمش با گروه زیست شناسی سلول ژان کلود مارتینو از دانشگاه ژنو همکاری کردند تا در اعماق سلول های زنده نگاه کنند. در داخل میتوکندری گرانولهای RNA ساکن هستند که کوچکتر از حد پراش نور هستند ، یعنی کوچکتر از یک هزارم عرض یک رشته مو هستند. آنها با استفاده از میکروسکوپ با وضوح فوق العاده ، دریافتند که RNA میتوکندری در قطرات مایع ریز قرار دارد که می توانند با هم جوش بخورند و از هم جدا شوند. نتایج در شماره امروز Nature Cell Biology منتشر شده است.

دانشکده ها : مانلی توضیح می دهد: “سازمان اطلاعات ژنتیکی موجود در میتوکندری به لطف این جنبه مایع مانند از گرانول های RNA بسیار پویا است.” “نحوه تبادل مداوم مواد به ما این درک را می دهد که چگونه میتوکندری ها قادر به اطمینان از داشتن اطلاعات ژنتیکی مورد نیاز برای تولید انرژی در سلول هستند.”

آنچه دانشمندان را به بازرسی از گرانول های RNA واداشت با هویت منحصر به فرد میتوکندری در ارتباط است. در حقیقت ، ژنوم میتوکندریاییمستقل از ژنوم سلول است ، بنابراین هویت ژنتیکی میتوکندری از هویت ژنتیکی سلول و بقیه ارگانیسم جدا است. ژنوم میتوکندری فقط حدود ۱۶ هزار جفت باز است در حالی که DNA سلول انسان ، بیش از ۱۰۰۰۰۰ برابر طول ، از ۳ میلیارد جفت باز تشکیل شده است. ژنوم میتوکندری از اصل و نسب مادر به ارث می رسد ، بنابراین نحوه تولید انرژی سلولهای شما اساساً از مادر شما ناشی می شود. فرضیه این است که ریشه میتوکندری در باکتری ها ریشه دارد: ۱٫۵ میلیارد سال پیش در طی روند تکامل ، باکتری ها ممکن است توسط سلول دیگری غرق شده اند تا یک رابطه درون-همزیستی ایجاد کنند. با گذشت زمان ، باکتری ها به این اندامک بسیار تخصصی تبدیل می شوند که برای سلول انرژی تولید می کند.

تعیین نحوه عملکرد میتوکندری برای درک چگونگی عملکرد سلول ، و همچنین برای درک عملکرد یک سلول مهم است. به خصوص در سلول هایی که به انرژی زیادی مانند سلول های عصبی و عضلانی نیاز دارند ، میتوکندری های ناکارآمد می توانند عواقب ویرانگر داشته و منجر به بیماری شدید شوند.

چگونه سلول ها خود را در برابر نقص میتوکندری محافظت می کنند

چگونه سلول ها خود را در برابر نقص میتوکندری محافظت می کنند

چگونه سلول ها خود را در برابر نقص میتوکندری محافظت می کنند

سلول ها برای استفاده از انرژی ذخیره شده در غذای ما به نیروگاه هایی معروف به میتوکندری احتیاج دارند. بیشتر پروتئین های مورد نیاز برای این عملکرد نیروگاه در هسته رمزگذاری شده و پس از سنتز در سیتوزول به میتوکندری منتقل می شوند. توالی سیگنال برای ورود پروتئین به میتوکندری لازم است. هنگامی که پروتئین به آنجا رسید ، توالی سیگنال حذف می شود. تاکنون محققان اهمیت این حذف توالی های سیگنال را کاملاً درک نکرده بودند. همچنین مشخص نبود که چرا حذف ناقص منجر به تعدادی بیماری مانند بیماری های قلب یا مغز می شود.

اشتباهات در حذف توالی های سیگنال منجر به تجمع این پروتئین ها می شود به طوری که آنها در داخل میتوکندری جمع می شوند. آنها یافته های خود را در شماره فعلی مجله علمی Molecular Cell ارائه داده اند .

تجمع مشاهده شده توسط محققان می تواند باعث شود که نیروگاه های سلول متوقف شوند ، اما همه موجودات برای زنده ماندن به این فعالیت نیاز دارند. برای خنثی کردن این نقایص ، سلولها آنچه را محققان پاسخ استرس محافظتی می نامند ، اجرا می کنند که میتوکندری را قادر می سازد عملکردهای اصلی خود را حفظ کند. با استفاده از این پاسخ استرس ، سلولهایی مانند مخمر نانوا – ارگانیسم مدل مورد استفاده برای انجام آزمایشات محققان – زنده می مانند.

همراه با نامزد دکترا و نویسنده اصلی مطالعه ، دانیل پوودا-هورتس ، وگل همچنین کشف کرد که تنظیم بسیاری از ژن های مختلف در هسته سلول اتفاق می افتد. علاوه بر این ، محققان دریافتند که یک عامل رونویسی که به طور معمول در هسته یافت می شود ، به طرز حیرت انگیزی به میتوکندری منتقل می شود ، جایی که بیان اطلاعات ژنتیکی در آن افزایش یافته است. تنها از طریق این مکانیسم میتوکندری می تواند با حفظ تولید انرژی در این شرایط استرس زا ، بقای سلول را تضمین کند. Vögtle توضیح می دهد ، این اصل کاملاً جدید در واکنش به فشار سلول ها ، احتمالاً اولین واکنشی است که تاکنون شناسایی شده است. او می گوید: “این اولین خط دفاعی سلول است که استرس در نیروگاه های آن ظاهر می شود.”

میتوکندری پاسخ پروتئین آشکار نشان دهنده خطر قریب الوقوع است

میتوکندری پاسخ پروتئین آشکار نشان دهنده خطر قریب الوقوع است

 

میتوکندری پاسخ پروتئین آشکار نشان دهنده خطر قریب الوقوع است پروتئین های غلت خورده باید به سرعت از بین بروند زیرا می توانند در سلول ها جمع کننده های سمی ایجاد کنند. زیست شناسان LMU چگونگی شروع این روند در میتوکندری را بررسی کرده و یک سیگنال هشدار دهنده عمومی را که آن را فعال می کند شناسایی کردند.

پروتئین ها فقط در صورت جمع شدن به شکل صحیح سه بعدی می توانند عملکردهای بیولوژیکی خود را انجام دهند. به عنوان یک قاعده ، این ترکیبات تا حد زیادی توسط توالی اسید آمینه یک پروتئین تعیین می شود، اما بسیاری از پروتئین ها به فاکتورهای جانبی نیاز دارند تا به درستی جمع شوند. اگر چین خوردن پروتئین آشفته باشد (به عنوان مثال در حضور استرس اکسیداتیو) ، نه تنها پروتئین های غیرفعال تجمع می یابند ، بلکه می توانند مصالح زیادی سمی ایجاد کنند. با این حال ، سلول ها یک مکانیسم کنترل کیفیت را ایجاد کرده اند که بر روی تاشو پروتئین نظارت دارد. در صورت شناسایی پروتئین غلت خورده ، فرایندی معروف به واکنش پروتئین بازشونده (UPR) فعال می شود که اطمینان حاصل می کند پروتئین تخریب شده و عملکرد طبیعی سلول بازیابی می شود. با استفاده از نماتد Caenorhabditis elegans به عنوان مدل آزمایشی خود ، زیست شناسان LMU به سرپرستی استپانان رولان از نحوه تحریک این پاسخ استرس در میتوکندری س askedال کرده اند و مکانیسم اساسی را تنظیم می کنند که UPR را در این اندامک ها تنظیم می کند. یافته های آنها در مجله پیشرو منتشر شده استگزارش همراه .

ماشین آلات UPR در چندین بخش مختلف داخل سلولی محدود به غشا وجود دارد که در سلولهای یوکاریوتی وجود دارد ، بنابراین می توان به سرعت با خطاهای موجود در تاشو پروتئین در هر نقطه از سلول مقابله کرد. میتوکندری ها ، که انرژی شیمیایی سلول را تأمین می کنند ، یکی از این محفظه ها را نشان می دهد. مطالعات قبلی در مورد C. elegans نشان داده بود که فاکتور رونویسی ATFS-1 نقش مهمی در شروع UPR در این اندامک ها دارد. به طور معمول ، ATFS-1 به میتوکندری وارد شده و به سرعت تخریب می شود. با این حال ، هنگامی که میتوکندری تحت فشار است ، پروتئین دوباره به هسته سلول هدایت می شود. در آنجا رونویسی ژن هایی را فعال می کند که پروتئین هایی را اجرا می کنند که UPR را در میتوکندری پیاده سازی می کنند. علاوه بر این ، این مسیر سیگنالینگ استحداقل از بخش نماتدها تا پستانداران از نظر تکاملی حفظ شده است.

 “تاکنون ، ماهیت دقیق سیگنالی که باعث این پاسخ استرس سلولی می شود کاملاً شناخته نشده بود.” “بنابراین ما یک صفحه نمایش گسترده در سطح ژنوم طراحی کردیم که به طور سیستماتیک تمام ژن ها و فرآیندهای بیولوژیکی را که در فعال سازی UPR در میتوکندری نقش دارند ، شناسایی می کند.” این صفحه نشان داد که غیرفعال سازی ۱۷۱ ژن باعث فعال شدن UPR در میتوکندری می شود و بسیاری از محصولات پروتئینی آنها در میتوکندری موضعی است. علاوه بر این ، غیرفعال سازی بسیاری از این ژن ها منجر به کاهش سطح پتانسیل الکتروشیمیایی در غشای داخلی میتوکندری می شود. این کاهش پتانسیل غشای میتوکندری با کاهش میزان واردات پروتئین به اندامک همراه است ، که پس از آن با فعال شدن UPR دنبال می شود. “

پروتئین های میتوکندری حاوی یک توالی اسید آمینه انتهایی N هستند که مسئول هدف قرار دادن آنها به میتوکندری است. این توالی های هدف قرار دادن میتوکندریایی بسته به ترکیب اسید آمینه می توانند “قوی” یا “ضعیف” باشند. در حالی که پروتئین هایی با توالی هدف قرار دادن میتوکندری “قوی” می توانند حتی با پتانسیل غشای کم به میتوکندری وارد شوند ، پروتئین های دارای توالی هدف قرار دادن میتوکندری “ضعیف” نمی توانند. رولاند و همکارانش پیشنهاد کردند که فاکتور رونویسی ATFS-1 ، که دارای توالی هدف قرار دادن میتوکندری “ضعیف” است ، به عنوان یک سنسور عمل می کند ، که کاهش پتانسیل غشای میتوکندری را شناسایی و واکنش نشان می دهد. اگر پتانسیل غیرطبیعی کم شود ، واردات ATSF-1 به میتوکندری مسدود می شود. سپس افزایش غلظت آن در سیتوپلاسم منجر به جذب آن به هسته می شود و در آنجا رونویسی ژن های لازم برای UPR میتوکندری را فعال می کند. پروتئین های رمزگذاری شده توسط این ژن ها توالی های هدف گیری میتوکندریایی “قوی” دارند و بنابراین می توانند با وجود پتانسیل غشای کم به میتوکندری ها برای بازیابی عملکرد میتوکندری وارد شوند.

کنترل کیفیت پروتئین و میتوکندری

 

کنترل کیفیت پروتئین و میتوکندری

 

کنترل کیفیت پروتئین و میتوکندری سنگدانه های پروتئینی برای عملکرد میتوکندری سمی هستند و بنابراین در تامین انرژی شیمیایی به سلول های میزبان آنها اختلال ایجاد می کنند. یک تیم LMU یک مجموعه پروتئینی را مشخص کرده است که از تجمع چنین رسوباتی در اندامک جلوگیری می کند.

میتوکندری نیروگاههایی هستند که سلولهای موجودات بالاتر را با انرژی شیمیایی لازم برای متابولیسم و ​​نگهداری آنها تأمین می کنند. علاوه بر این ، بیوسنتز بسیاری از متابولیت های اساسی در این اندامک ها انجام می شود. بنابراین ، هر گونه اغتشاش در عملکرد آنها – مانند تجمع غیر طبیعی پروتئین های غلت خورده – باید به سرعت شناسایی و ترمیم شود. تیم های تحقیقاتی به سرپرستی والتر نوپرت LMU (مرکز زیست پزشکی) و رولان بکمان (مرکز ژن) با همکاری توشیفومی اینادا (دانشگاه سندای ژاپن) اکنون یکی از مکانیسم هایی را که سلول از تشکیل مواد سمی پروتئین های مقصد جلوگیری می کند ، توضیح داده اند. میتوکندری ، که در غیر این صورت می تواند تأمین انرژی برای عملکردهای ضروری سلول را قطع کند. یافته های جدید در مجله Nature منتشر شده است.

پروتئین ها توسط اندامک هایی به نام ریبوزوم سنتز می شوند. این مجتمع های پروتئینی RNA ، نقشه های پیام رسان (mRNA) صادر شده از هسته را که توالی اسید آمینه پروتئین خاص را مشخص می کند ، رمزگشایی می کنند. ریبوزومها به طور متوالی در محل شروع تعریف شده به مولکول های mRNA متصل می شوند. این اجازه می دهد تا هر مولکول mRNA سنتز بسیاری از نسخه های هر پروتئین خاص را به صورت خط مونتاژ برنامه ریزی کند. اگر این روند قطع شود و ریبوزوم پیشرو متوقف شود ، ریبوزوم های زیر پشت آن جمع می شوند. در این شرایط ، پروتئین های متصل (ناقص) آنها می توانند به راحتی با یکدیگر در تعامل باشند و مواد تشکیل دهنده پروتئین را تشکیل دهند. برای برطرف کردن این ترافیک ، سلول ها مکانیسم کنترل کیفیت مرتبط با ریبوزوم (RQC) را فعال می کنند. “مسیر RQC با جدا کردن دو زیر واحد ریبوزوم های راکد (بنابراین mRNA آزاد می شود) و اتصال اسیدهای آمینه آلانین (A) و ترئونین (T) به انتهای C-terminal پروتئین معیوب متوقف شده در زیر واحد ۶۰S. به این ترتیب ، پروتئین ناقص از ریبوزوم آزاد می شود و “دم CAT” آن را برای تخریب بعدی مشخص می کند.

در مورد پروتئین های میتوکندریایی ، عارضه دیگری وجود دارد. بیشتر پروتئین های میتوکندریایی دستگیر شده یا متوقف شده توسط ریبوزومهایی که به منافذ غشای میتوکندری متصل شده اند در سیتوپلاسم ساخته می شوند و از این طریق پروتئینهای نوپا مستقیماً به اندامک منتقل می شوند. این ارتباط تنگ سنتز با جذب میتوکندری مانع ترشح و تخریب پروتئین های دارای برچسب CAT در سیتوپلاسم می شود. علاوه بر این ، پروتئین های دارای برچسب CAT تمایل بیشتری به تجمع دارند ، بنابراین واردات آنها به ویژه برای عملکرد میتوکندری مضر است .

خوشبختانه ، سلول یک شکل جایگزین RQC به ویژه برای پروتئین های میتوکندری ایجاد کرده است. پیش از این نویسندگان مطالعه جدید نشان داده بودند که پروتئین Vms1 نقشی اساسی در این مسیر دارد ، اما سازوکار دقیق زیربنای این حالت RQC همچنان نامشخص است. بکمن می گوید: “با ترکیب آنالیزهای ساختاری مبتنی بر میکروسکوپ الکترونیکی الکترونیک با آزمایشات بیوشیمیایی ، بیولوژیکی و ژنتیکی ، اکنون موفق شدیم نحوه کار Vms1 را توضیح دهیم.” Vms1 قادر به جدا کردن ریبوزوم استو آزاد کردن پروتئین متوقف شده خواه اینکه توالی توالی CAT را داشته باشد یا نه. بنابراین به طور موثری با افزودن توالی CAT به پروتئین های میتوکندری خنثی می کند ، بنابراین خطر تجمع و اثرات مخرب آن بر عملکرد میتوکندری و در نتیجه بر روی سلول را کاهش می دهد. علاوه بر این ، بکمن و همکارانش پروتئینی را شناسایی کردند که قبلاً مشخص نشده بود و در کل این فرآیند نقش دارد و نحوه تعامل آن با Vms1 را نشان می دهد. نتایج جدید ممکن است به درک بهتر طیف وسیعی از اختلالات ، از جمله بیماری های متابولیک و شرایط تخریب عصبی ، که با آسیب به عملکرد میتوکندری همراه است

ارتباط لیزوزوم با میتوکندری طول عمر را تنظیم می کند

 

ارتباط لیزوزوم با میتوکندری طول عمر را تنظیم می کند با افزایش سن ، افراد معمولاً احساس انرژی ، تحرک یا تحرک کمتری دارند. این ممکن است تا حدی به دلیل کاهش میتوکندری ، نیروگاههای کوچک درون سلولهای ما باشد که انرژی را تأمین می کنند و متابولیسم را تنظیم می کنند. در حقیقت ، میتوکندری با افزایش سن نه تنها در انسان ، بلکه در بسیاری از گونه ها کاهش می یابد. اینکه چرا آنها چنین می کنند به خوبی درک نشده است. دانشمندان در موسسه ماکس پلانک برای زیست شناسی پیری در کلن هدف خود را برای درک چگونگی کاهش عملکرد میتوکندری با افزایش سن و یافتن عواملی که از این روند جلوگیری می کند ، کشف کردند. آنها دریافتند که ارتباط بین میتوکندری و سایر قسمتهای سلول نقش اساسی دارد.

 

دانشمندان برای مطالعات خود از کرم حلقوی ساده ، Caenorhabditis elegans ، یک سیستم مدل مهم برای تحقیقات پیر استفاده کردند. بیش از نیمی از ژن های این حیوان مشابه ژن های موجود در انسان است و میتوکندری آنها نیز با افزایش سن کاهش می یابد. دانشمندان از تحقیقات خود پروتئینی هسته ای به نام NFYB-1 را یافتند که ژن های موثر بر فعالیت میتوکندری را خاموش و روشن می کند و خود در طی پیری کاهش می یابد. در کرم های جهش یافته فاقد این پروتئین ، میتوکندری به خوبی کار نمی کند و کرم ها عمر طولانی ندارند.

به طور غیر منتظره ، دانشمندان کشف کردند که NFYB-1 فعالیت میتوکندری را از طریق قسمت دیگری از سلول به نام لیزوزوم هدایت می کند ، مکانی که مولکول های اساسی تجزیه می شود و به عنوان مواد مغذی بازیافت می شود. مدیر برنامه ریزی ماکس پلانک ، آدام آنتبی ، که آزمایشگاه آن را پیشگام می کند ، می گوید: “ما فکر می کنیم لیزوزوم از طریق چربی های خاصی به نام کاردیولیپین ها و سرامیدها ، که برای فعالیت میتوکندری ضروری است ، با میتوکندری صحبت می کند. قابل توجه است ، به سادگی تغذیه NFYB-1 کرم جهش یافته کاردیولیپین عملکرد میتوکندری و سلامت کرم را در این سویه ها بازیابی کرد .

از آنجا که کاردیولیپین ها و سرامیدها برای میتوکندری انسان نیز ضروری هستند ، این ممکن است به معنای بهبود سلامتی و پیری انسان با درک چگونگی تسهیل ارتباط این گونه مولکول ها بین قسمت های مختلف سلول باشد.

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.