Митохондрии играют главную роль в экспрессии генов

Ядерная ДНК – это место, где находится геном человека. Она содержится в ядре клетки. Исследователи когда-то считали, что гены контролируют все в человеческом организме. Они полагали, что ядро – это центр управления клеткой. Теперь мы знаем, что дело не всегда в самих генах, а скорее в том, что заставляет определенные гены включаться или выключаться. Эти механизмы изучает наука эпигенетика.

Митохондрии являются первичными регуляторами эпигенетики. Они посылают сигналы в ядерную ДНК несколькими различными способами. Иногда это называют ретроградным ответом.

Давно известно, что соотношение АТФ и АДФ, уровень РФК и кальция могут влиять на экспрессию генов. Как вы теперь знаете, все эти показатели напрямую связаны с функцией митохондрий. Однако, учитывая, что эти факторы также являются маркерами общего клеточного здоровья и функционирования, никто не задумывался об этом основательно и уж тем более не предполагал, что митохондрии могут напрямую контролировать экспрессию генов в ядре.

В 2002 году обнаружили, что митохондрии необходимы для переноса важного эпигенетического фактора – ядерного белка гистона H1 (26). Этот белок помогает регулировать экспрессию генов и переносится из цитоплазмы в ядро – для этого процесса требуется АТФ. Между тем исследователи выявили, что одной только АТФ недостаточно. Без митохондрий никакого переноса не происходит.

В 2013 году было доказано, что митохондриальные РФК непосредственно инактивируют фермент под названием «гистоновая деметилаза Rph1p», который регулирует эпигенетическую экспрессию генов в клеточном ядре (27). Было установлено, что этот процесс играет роль в продлении жизни у дрожжей, и предполагается, что он может иметь определенное значение и для людей.

В 2018 году еще два исследования продемонстрировали значимую роль митохондрий в экспрессии генов. Молекулярной биолог Мария Дафне Кардамоне с коллегами доказали, что белок GPS2 высвобождается митохондриями в ответ на метаболический стресс (28). Метаболический стресс может быть вызван множеством различных причин, однако голодание является ярким примером. После того как GPS2 высвобождается митохондриями, он попадает в клеточное ядро, где регулирует ряд генов, связанных с биогенезом митохондрий и метаболическим стрессом.

Другая группа исследователей под руководством доктора Кюнг Хва Кима обнаружила еще один митохондриальный белок, MOTS-c, который кодируется митохондриальной ДНК и играет определенную роль в экспрессии генов (29). Это было очень неожиданное открытие. Примерно 20 лет назад все считали, что митохондриальная ДНК служит лишь для производства АТФ. MOTS-c также вырабатывается в ответ на метаболический стресс. После того как MOTS-c вырабатывается в митохондриях, он попадает в ядро и связывается с ядерной ДНК. Это приводит к регуляции широкого спектра генов, связанных с реакцией на стресс, обменом веществ и антиокислительными эффектами.

Наконец, что самое впечатляющее, доктор Мартин Пикар с коллегами, проводя эксперименты с мутировавшими митохондриями в клетках, обнаружили, что по мере увеличения количества дисфункциональных митохондрий возникало все больше эпигенетических проблем и изменений (30). Этому влиянию были подвержены почти все гены, экспрессируемые в клетках. В конечном счете, в ситуациях, когда почти все митохондрии были нефункциональны, клетки погибали. Это исследование доказало, что митохондрии участвуют не только в экспрессии генов, связанных с энергообменом, но, возможно, в экспрессии всех остальных генов.

Митохондрии могут размножаться

При благоприятных обстоятельствах клетки производят больше митохондрий – этот процесс называется митохондриальным биогенезом. Некоторые клетки в итоге обзаводятся большим количеством митохондрий, следовательно, могут производить больше энергии и работать эффективнее. Широко распространено мнение, что чем больше в клетке здоровых митохондрий, тем она здоровее. Известно, что с возрастом количество митохондрий уменьшается, равно как и при многих заболеваниях. У спортсменов-чемпионов в клетках митохондрий больше всего, и их органеллы выглядят более здоровыми.

Митохондрии участвуют в процессе роста и дифференциации клеток

Рост и дифференциация клеток – это сложный процесс, в ходе которого обычная стволовая клетка превращается в специализированную клетку. Дифференциация означает, что клетки становятся непохожими друг на друга и принимают на себя узкоспециализированные роли. Одни становятся клетками сердца. Другие – клетками мозга. Внутри мозга разные клетки выполняют разные роли и меняются на протяжении всей жизни. У одних формируются новые синапсы. Другие избавляются от ненужных частей. Третьи растут и увеличиваются в размерах, когда в этом возникает потребность. Эта способность клеток мозга меняться называется нейропластичностью.

Процесс роста и дифференциации включает в себя активацию определенных генов в нужных клетках в нужное время. В него входит множество сигнальных путей и производство строительных блоков для новых клеток и их частей.

Давно известно, что митохондрии необходимы для роста и дифференциации клеток. Большинство исследователей полагали, что дело просто в их энергетической функции, поскольку для этих процессов необходима энергия. Между тем последние исследования убедительно свидетельствуют о гораздо более активной роли митохондрий. Обеспечиваемая ими регуляция уровня кальция и других сигнальных путей также имеет важное значение (31). Судя по всему, в результате слияния органелл друг с другом генерируются сигналы, которые активируют определенные гены в ядре. Когда митохондрии не могут сливаться друг с другом, клетки развиваются неправильно (32). Другие исследования показали, что рост и созревание митохондрий необходимы для правильной дифференциации клеток (33). Было доказано, что митохондрии играют непосредственную и очень важную роль в развитии клеток мозга (34). Суть в том, что клетки не развиваются нормально, если эти органеллы не выполняют должным образом свои функции.

Митохондрии помогают обслуживать существующие клетки

В предыдущей главе я рассказал об аутофагии и обслуживании клеток. Оказывается, митохондрии тоже принимают непосредственное участие в этом процессе. Они генерируют многие сигналы, такие как РФК и иные метаболические факторы, которые играют ключевую роль в аутофагии. Они также взаимодействуют с другими частями клетки, такими как лизосомы, которые также участвуют в этом процессе. Для обслуживания клеток необходима энергия и строительные блоки, и митохондрии предоставляют и то и другое.

Митохондрии находятся в сложном цикле обратной связи с аутофагией, поскольку дисфункциональные органеллы могут быть удалены и заменены здоровыми в процессе, известном как митофагия. Таким образом, митохондрии сами получают пользу от аутофагии, одновременно играя свою роль в ее стимулировании для всей