Если кто и помнит что-то из курса биологии, так это то, что митохондрии - это электростанции клетки.
Однако эти палочковидные органеллы выполняют и другие функции, в том числе служат химическими фабриками и производят ключевые молекулы, необходимые для построения белков и других клеточных компонентов. Как клетки балансируют между этими конкурирующими приоритетами, когда питательные вещества в дефиците, было неясно. На этой неделе исследователи сообщили в журнале Nature, что обнаружили, что митохондрии в отдельной клетке могут специализироваться для выполнения каждой из задач: одни из них сосредоточены на производстве энергии, а другие - на изготовлении молекул. Такое разделение труда может помочь клеткам эффективнее заживлять раны, но раковые клетки также могут использовать его для ускорения своего буйного роста. «Это очень красивая история, открывающая множество перспектив на будущее», - считает биолог Саманта Льюис из Калифорнийского университета.
Считается, что митохондрии произошли от свободно живущей бактерии, которая попала в ловушку внутри сложной клетки и поработилась ее потребностям. Они вырабатывают АТФ, богатую энергией молекулу, которая питает большинство клеточных процессов. Кроме того, в этих органеллах происходит синтез некоторых аминокислот, входящих в состав белков, и других необходимых молекул. Митохондрии не являются единственным источником - например, мы получаем некоторые аминокислоты из нашего рациона, - но они вносят важный вклад. Однако в клетках имеется лишь ограниченное количество молекулярного сырья, которое необходимо митохондриям для выполнения любой из этих задач. Чтобы синтезировать аминокислоты, органеллы должны перенаправить молекулы, которые в противном случае пошли бы на производство АТФ, что потенциально снижает производство энергии в клетке.
Когда у клеток много пищи, они могут выполнять обе работы без лишних затрат. Но клеточный биолог Крейг Томпсон из Memorial Sloan Kettering Cancer Center и его коллеги хотели выяснить, что происходит, когда клетки сталкиваются с нехваткой питательных веществ, что может произойти, например, когда кровообращение в какой-то части тела ослабевает из-за травмы, повредившей кровеносные сосуды. Исследователи выращивали мышиные клетки на культуральных смесях, которые заставляли клетки получать энергию исключительно из митохондрий, а не из альтернативных реакций, генерирующих АТФ. Хотя клетки увеличивали производство энергии митохондриями, органеллам все равно удавалось синтезировать аминокислоты. «Мы были очень удивлены», - рассказывает Томпсон. «Один процесс должен был красть ресурсы другого».
Углубившись, ученые обратили внимание на ключевой митохондриальный фермент, известный как P5CS, который собирается в нити, помогающие органеллам катализировать один из этапов образования аминокислот. Исследователи обнаружили, что в клетках мышей, лишенных питательных веществ, молекулы P5CS скапливаются только в некоторых митохондриях. Когда ученые генетически модифицировали клетки, чтобы создать версию фермента, который не скапливается, митохондрии больше не могли производить аминокислоты. Исследователи обнаружили, что белковые скопления также скрываются в некоторых митохондриях клеток рака поджелудочной железы человека - опухолям часто не достаточно существующего кровоснабжения и они испытывают недостаток в питательных веществах.
Митохондрии, в которых находились кластеры P5CS, имели еще два отличия. Во-первых, в них отсутствовал фермент, который производит АТФ. Кроме того, у них отсутствовала складчатая внутренняя мембрана, которая повышает эффективность производства АТФ. Оказывается, сообщают исследователи, в клетках, испытывающих дефицит питательных веществ, образуются два подтипа митохондрий, которые сосредоточены либо на выработке энергии, либо на строительстве молекул. Группа Томпсона также обнаружила, что способность органелл к дифференциации зависит от их способности слипаться и распадаться, что часто встречается среди митохондрий.
Исследователи и раньше обнаруживали митохондриальное разнообразие, но это исследование дает «пример того, как элегантно проверить его наличие и последствия для принятия клетками решений», - отмечает Льюис. «Мне нравится эта работа», - говорит клеточный биолог Джоди Нуннари из компании Altos Labs, занимающейся разработкой методов омоложения клеток. Она говорит, что дальнейшие исследования должны определить, насколько важна специализация митохондрий для клеток. «Если у вас нет этой способности, как клетка будет жить дальше?» Ученым также необходимо определить, «как все это происходит за пределами лаборатории, в живом организме», - считает биолог Мартин Пикард из Колумбийского университета. Он добавляет, что исследование согласуется с новыми данными о многочисленных способностях митохондрий. «Эта работа помогает укрепить мнение о том, что митохондрии - это не просто электростанции».
