Upload
tacita
View
86
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Импорт биомакромолекул в митохондрии Митохондриальные болезни и их лечение. Каменский Петр Андреевич [email protected]. Транслоказа внутренней мембраны TIM23. TIM23 -комплекс осуществляет (1) транспорт белков в митохондриальный матрикс и (2) встраивание некоторых белков во внутреннюю мембрану. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Каменский Петр Андреевич[email protected]
Импорт биомакромолекул в митохондрии
Митохондриальные болезни и их лечение
Транслоказа внутренней мембраны TIM23
TIM23-комплекс осуществляет (1) транспорт белков в митохондриальный матрикс и (2) встраивание некоторых белков во внутреннюю мембрану.
Коровый комплекс TIM23 (TIM23CORE)
1. Tim17 и Tim23 формируют канал2. Tim50 поддерживает канал в закрытом состоянии в
отсутствие предшественников3. Tim21 (неконститутивный компонент TIM23CORE)
связывается с Tom22 и облегчает перенос предшественников с TOM- на TIM23-комплекс.
Стадии транслокации предшественников через TIM23-комплекс в матрикс
1. Pam17, связываясь с TIM23-комплексом со стороны матрикса, стимулирует высвобождение Tim21 и проникновение сигнальной последовательности предшественника в матрикс.
Стадии транслокации предшественников через TIM23-комплекс в матрикс
2. К комплексу со стороны матрикса привлекаются белки Pam16, Pam18 и Tim44. После этого Pam17 спонтанно отсоединяется от комплекса.
Стадии транслокации предшественников через TIM23-комплекс в матрикс
3. Предшественник частично проникает в матрикс, где к его сигнальной последовательности присоединяется шаперон mtHsp70, который, вместе с Tim44, обеспечивает проникновение в матрикс остальной части белка.
Мотор импорта белков в митохондрии: как же он работает?
В результате гидролиза АТФ mtHsp70 связывается с импортируемым белком и претерпевает структурные изменения, в результате чего «наклоняется» перпендикулярно мембране. Таким образом, белок «протаскивается» в матрикс.
Мотор импорта белков в митохондрии: как же он работает?
Импортируемый белок совершает «статистические» движения в канале. Как только белок немного продвинулся в сторону матрикса, с ним связывается молекула mtHsp70, и это запрещает движение белка в обратную сторону. Процесс повторяется много раз, в результате чего белок оказывается целиком в матриксе.
В настоящее время неизвестно, какая именно из двух моделей реализуется при импорте белков в митохондрии.
Транслокация предшественников через TIM23-комплекс во внутреннюю мембрану
Некоторые белки встраиваются во внутреннюю мембрану непосредственно из TIM23-комплекса. Этот процесс не требует участия АТФ и обеспечивается только мембранным потенциалом.
Общая схема работы TIM23-комплекса
Транслоказа внутренней мембраны TIM22
TIM22-комплекс встраивает во внутреннюю мембрану интегральные белки (например, АТФ/АДФ-переносчик).
1.Tim22 – канальный белок2.Tim54 привлекает к комплексу малые Tim-белки3.Tim18 и Sdh3 участвуют в сборке комплекса и регулируют его стабильность
Схема встраивания интегральных белков во внутреннюю мембрану
1. Белок в цитозоле связывается с рецептором Tom702. Белок транспортируется через внешнюю мембрану3. В межмембранном пространстве с белком связываются малые Tim-белки: Tim9 и Tim104. Эти белки переносят белок к TIM22-комплексу, он встраивается в канал, после чего
происходит его латеральное открывание, и белок встраивается в мембрану
Отщепление сигнальных последовательностей импортируемых белков
В настоящее время более или менее подробно описан только механизм отщепления N-концевых сигнальных последовательностей посредством MPP.
Общая схема отщепления сигнальных последовательностей
Импорт РНК в митохондрии
Импорт РНК в митохондрии – видоспецифичный процесс
В митохондрии могу импортироваться тРНК, 5S рРНК, а также РНК-компоненты РНКазP и MRP (у млекопитающих)
Импорт тРНК в митохондрии
1. Как происходит разделение тРНК на импортируемые и неимпортируемые?2. Как тРНК попадают к поверхности митохондрий?3. Как происходит собственно транслокация тРНК через мембраны органеллы?4. Имеет ли место регуляция этого процесса, и если да, то как она осуществляется?
Нуклеотидные детерминанты/антидетермининты импорта тРНК в митохондрии
Универсальных нуклеотидных детерминант не имеется.
Другие необходимые условия импорта РНК
Импорт тРНК в митохондрии простейших
Даже внутри группы простейших механизмы импорта тРНК различаются.
Импорт тРНК в митохондрии простейших
1. Импортируются все элонгаторные тРНК2. Для доставки тРНК к поверхности митохондрий
необходим eEF1а3. VDAC не принимают участия в импорте; мембранные
белки, обеспечивающие импорт, неизвестны
Chlamydomonas – интересный случай импорта тРНК в митохондрии
Эффективность импорта различных тРНК составляет от 0 до 100%...
…и коррелирует с частотой использования соответствующих кодонов в митохондриях!
Импорт тРНК в митохондрии растений
1. Растворимые цитозольные белки не требуются2. Показаны три компонента внешней мембраны,
принимающие участие в импорте: Tom40, Tom20, VDAC3. Белки внутренней мембраны, необходимые для
импорта, неизвестны
Импорт тРНК в митохондрии дрожжей
CCA-OHU
G - C
G - C
C - GC - G
U - GU - A
U - A
- AA - UU - AG - CA -
C G C G
G C G C
UGAA
CGG A
C
C UU
UAA
AG
G
UU
C C C C
G G G G
U
A
тРЛ1
D
D m2
t6
m2
m7
CG AGC
(m1A)
m2G
2
CCA-OHG
- A
G - C
C - GC - G
U - A
G - U - A
G - C
C C C C
G G G GC U C G
G A G C
U
AGDGG A
U
C
U*UU
UAA
A
A
тРЛ2
D
D
t6
m2
G m7
- A
C G AG
C
(m1A)
m2G
2
тРЛ3
U - G
A
- AC - G
C5
D
Закодир. в ядерной ДНК95% в цитозоле 5% в митохондриях
U
U*=mnm 5S2U
CCA-OH
U - A
U - A - A
G - C
C G A C C
G C U G GU U U G
A A A C
UAA
GG A
A
AD
D
A
- GC
U**UU
U
At6
A
G - CA - UG - C
A - UA - U
A - UU
G - C CC
U U
C
C
AA
U
U**=cmnm 5U
Закодир. в ядернойДНК100% в цитозоле
Закодир. вмитохондр. ДНК 100% в митохондриях
Наиболее хорошо изученная система импорта РНК в митохондрии.
Необходимые условия импорта тРЛ1:
1. Нуклеотидные детерминанты импорта
2. Третичная структура тРНК
3. АТФ и мембранный потенциал
4. Белки-компоненты аппарата импорта белков в митохондрии и/или порины
5. Растворимые цитозольные белки: - цитоплазматическая лизил-тРНК- синтетаза (Krs1p) - энолаза 2 (Eno2p) - предшественник митохондриальной лизил-тРНК-синтетазы (preMsk1p)
Енолаза-2 меняет структуру импортируемой тРНК
Схема событий в цитозоле, предшествующих импорту тРНК в митохондрии дрожжей
тРЛ1
тРЛ3
CCA-OH
U - A
U - A - A
G - C
C G A C C
G C U G GU U U G
A A A C
UAA
G
G A
A
AD
D
A
- GC
U**U
U
U
A
t6
A
G - CA - UG - C
A - UA - U
A - U
U
G - CC
C
U U
C
C
AA
U
CCA-OHG
- A
G - C
C - GC - G
U - A
G - U - A
G - C
C C C C
G G G GC U C G
G A G C
U
AG
DGG A
U
C
U* U
UUAA
A
A
тРЛ2
D
D
t6
m2
G m7
- A
C G A
GC
(m1A)
m2G
2
U - G
A
- AC - G
C5
D
U
CCA-OHU
G - C
G - C
C - GC - G
U - GU - A
U - A
- AA - UU - AG - CA -
C G C G
G C G C
UGAA
CG
G A
C
C U
UU
AA
AG
G
UU
C C C C
G G G G
U
A
D
D m2
t6
m2
m7
C G AG
C
(m1A)
m2G
2
?AAA / AAGAAAAAG
mcm5S2U
cmnm5S2
Роль тРЛ1 в митохондриях - ???
Адаптационный механизм митохондриальной трансляции дрожжей при повышенных температурах роста
тРЛ3 при 37С гипомодифицируется по wobble-положению антикодона, в связи с чем становится неспособной распознавать AAG-кодоны. В этих условиях присутствие тРЛ1 в митохондриях становится необходимым.
Импорт 5S рРНК в митохондрии млекопитающих
Нуклеотидные детерминанты/антидетерминанты импорта 5S рРНК
Белковые факторы импорта 5S рРНК в митохондрии клеток человека
1. Белок preMRP-L18 обеспечивает связывание 5S рРНК с роданезой2. Роданеза, связываясь с 5S рРНК, меняет свою конформацию и становится способной
(видимо, в комплексе с 5S рРНК) проникать через внешнюю мембрану
5S рРНК входит в состав миторибосом клеток человека
5S рРНК детектируется только в присутствии обеих субъединиц. Видимо, их диссоциация приводит к высвобождению 5S рРНК из митохондриальных рибосом.
Полинуклеотидфосфорилаза (PNPase) – регулятор импорта РНКв митохондрии млекопитающих
Митохондриальные болезни и их лечение
Митохондриальный геном человека
13 белков, 22 тРНК, 2 рРНК
DiabetesThyroidD
isease
Myopathy
Peripheral Neuropathy
Deafness
CVA / Seizures / Dev. delay
Respiratory Failure Optic Atrophy / Retinitis Pigmentosa
Cardiomyopathy
Short Stature
Marrow Failure
Liver Failure
Мутации в мтДНК и их фенотипические проявления
Мутации в мтДНК встречаются у каждого 500-го жителя Земли
(гетероплазмия)
Способы супрессии мутаций в митохондриальном геноме
Мутация в гене белка
Импорт соответствующегобелка с сигнальным пептидомиз цитозоля
Мутация в гене рРНК
?
Мутация в гене тРНК /протяженная делеция
Импорт РНК в митохондрии
На сегодняшний день все работы по супрессии таких мутаций сделаны ТОЛЬКО на культурах клеток человека (ни доклиники, ни клиники не делалось).
1. Импорт производных дрожжевых тРНК в митохондрии клеток человека с мутациями в генах изоакцепторных тРНК
А. Мутация в гене тРНК(Лиз) вызывает синдром MERRF
1. Импорт производных дрожжевых тРНК в митохондрии клеток человека с мутациями в генах изоакцепторных тРНК
Б. Мутация в гене тРНК(Лей) вызывает синдром MELAS
2. Импорт «мини-версий» дрожжевых тРНК в митохондрии клеток человека с протяженной геномной делецией
Вставочная последовательность «мини-РНК» комплементарна участку митогенома, образующемуся в результате делеции.
2. Импорт «мини-версий» дрожжевых тРНК в митохондрии клеток человека с протяженной геномной делецией
«Мини-РНК», импортируясь в митохондрии клеток человека, связываются только с мутантными митохондриальными ДНК и блокируют их репликацию. В результате снижается уровень гетероплазмии, и клетки практически «выздоравливают».
3. Опосредованный ферментом PNPase импорт гибридных РНК в митохондрии клеток человека
При слиянии митохондриальных тРНК с «сигнальной» последовательностью, узнающейся PNPase, гибридные тРНК импортируются в митохондрии и частично супрессируют мутации, приводящие к развитию синдромов MERFF и MELAS.
РНКаза Р