Недавнее открытие подтверждает теорию о том, что древние митохондрии образовали совершенно новые, специализированные "мешочки" в клетках, сбросив свои внешние мембраны.
Когда патоген проникает в клетку, митохондрии клетки реагируют, сбрасывая свои внешние слои, образуя совершенно новые клеточные компартменты - или органеллы, — которые переваривают молекулярный мусор. Исследователи, сделавшие это открытие, показали, что когда митохондрии — наиболее известные как производители энергии в клетках — формируют эти органеллы, это помогает патогену размножаться, хотя точно не ясно, как именно. Возможно, он "питается" разложившимся материалом внутри этих органелл, предположила руководитель исследования, иммунолог Лена Пернас. Но одно можно сказать наверняка, отмечает она, представляя результаты исследования на ключевом симпозиуме по митохондриальной сигнализации, проходившем в феврале в США: “Митохондрии способны создавать новые органеллы во время инфекции”.
Открытие, опубликованное 24 апреля на сервере препринтов bioRxiv, дополняет растущий список ролей, которые исследователи открывают для митохондрий в иммунитете, включая отслеживание патогенов и координацию передачи иммунных сигналов. Это также подтверждает гипотезу о том, что мембранные мешочки, или везикулы, образовавшиеся из самых ранних митохондрий, дали начало органеллам у эукариот — группы организмов, включая растения и животных, клетки которых имеют замкнутое ядро и другие внутриклеточные компартменты. Если современные митохондрии могут порождать новые органеллы, которые выполняют специализированную работу внутри клеток, легко представить, что их предки делали то же самое.
Пернас и ее коллеги наблюдали за образованием органелл после заражения клеток человека паразитом Toxoplasma gondii.. Белок на внешней поверхности паразита зацепился за белок в митохондриях клеток, таким образом "прикрепив" митохондрию к T. gondii. Затем эти связанные митохондрии начали сбрасывать свои внешние мембраны, образуя структуры, которые называют "органеллами положительными для внешней митохондриальной мембраны". Примечательно, что структуры также поглощали лизосомы, работающие как системы удаления отходов. По мнению клеточного биолога и иммунолога Шаери Мукерджи, такое обволакивание лизосом - настоящее достижение. “Что действительно здорово и удивительно, так это способность патогена не только полностью манипулировать митохондриями, но и использовать их для создания совершенно новой органеллы в клетке с такой точностью”, - говорит она.
Исследователи подтвердили, что эти покрытые органеллами лизосомы представляют собой новый тип органелл, отличающийся от лизосом: внешние поверхности новых органелл не содержат никаких белков, обычно экспрессируемых лизосомами. Ученые также продемонстрировали, что для размножения T. gondii необходимы новые органеллы. Когда исследователи использовали ингибиторы протонной помпы, чтобы предотвратить подкисление поглощенных лизосом и, следовательно, превращение их в системы удаления отходов, размножение паразита было нарушено. Интересно, что создаваемые таким образом новые органеллы редко поглощают какие-либо другие органеллы внутри клеток, кроме подкисленных лизосом. По мнению Пернас, одна из причин, по которой патогены могут создавать новые органеллы, заключается в том, что они питаются переваренными отходами. Другим может быть то, что, заставляя органеллы поглощать лизосомы, T. gondii нейтрализует этих утилизаторов отходов, которые опасны для патогенов.
Полученные данные свидетельствуют о том, что митохондрии и их мембраны могут быть “резервуаром” для формирования органелл, поскольку клетки адаптируются к различным стрессам, говорит Пернас. “Это может показаться еретическим”, - добавила она, - "но это имеет смысл, если мы сделаем шаг назад и подумаем о том, как эволюционировали органеллы внутри клеток. Более 1,5 миллиардов лет назад эукариоты возникли, когда один из видов микробов поглотил древнюю бактерию.
Десять лет назад биологи—эволюционисты Свен Гулд, Шрирам Гарг и Билл Мартин из Университета Дюссельдорфа в Германии предположили, что подобно свободноживущим бактериям, которые постоянно выделяют пузырьки, эта древняя бактерия, ныне обитающая в клетке—хозяине, продолжала бы создавать мембранные везикулы. Со временем везиркулы эволюционировали бы и превратились в различные внутриклеточные органеллы эукариот. Хотя существуют конкурирующие гипотезы о том, как возникли органеллы эукариот, открытие Пернас и ее коллег о том, что современные митохондрии могут давать начало новым органеллам, согласуется с этой идеей о происхождении эукариот.
Новое открытие также подтверждает более раннее наблюдение о том, что митохондрии участвуют в генезе органелл. В 2017 году Хайди Макбрайд, биолог по митохондриям из Университета Макгилла (Канада), показала, что пероксисомы, которые расщепляют жирные кислоты внутри клеток, являются ‘гибридными’ органеллами. То есть она обнаружила, что клетки, в которых отсутствуют пероксисомы, могут генерировать их с нуля, когда везикулы, выделяемые митохондриями, сливаются с везикулами из эндоплазматического ретикулума клеток, участвующего в синтезе белков. Но тогда скептики рассматривали находку Макбрайда либо как артефакт, либо как нечто, произошедшее при совершенно особых обстоятельствах. Таким образом, открытие Пернас позволяет предположить, что находка Макбрайд вовсе не была странной, и что везикулы, выделяемые митохондриями, имеют множество применений.
