Biotechnologia.pl: Mitochondria wydają się w pełni niezależnymi organellami komórkowymi, czy ich autonomia sprawia, że pracownia którą pani kieruje bada te przedziały komórkowe?

dr hab. Agnieszka Chacińska: Nasze zainteresowania dotyczą mitochondriów,a konkretnie białek zlokalizowanych w mitochondriach, czyli tych organellach komórkowych które zaangażowane są w produkcję energii. Mitochondria nazywane są niejednokrotnie molekularnymi elektrowniami, ponieważ tam produkowane jest ATP – energetyczna waluta komórki. Mitochondria nie są jednak organellami autonomicznymi. Patrząc na ich masę możemy stwierdzić, że mieszczą one około 10-20 % wszystkich białek komórkowych. Pomiary proteomu mitochondrialnego, czyli pełnego zestawu białek mitochondrialnych wskazują na liczbę 800 – 1000 białek w drożdżach. U wyższych organizmów eukariotycznych szacuje się, że jest to 1500 - 2000 białek. 99% tych białek przychodzi do mitochondriów z zewnątrz i tylko ich mała część, bo 1% zakodowana jest w DNA obecnym w mitochondriach.

Dlaczego tak dużo?

Białka mitochondrialne są potrzebne, aby zapewnić główne funkcje związane z generowaniem energii, oraz innymi procesami metablicznymi, a także regulację procesów życiowych na poziomie komórki. Należy bowiem zaznaczyć, że mitochondria odgrywają istotną funkcję jako miejsca, gdzie docierają i przetwarzane są informacje o tym czy komórka ma przeżyć, czy umrzeć. Białka są wykonawcami wielu procesów metabolicznych  w komórce i to one są oczywiście odpowiedzialne za to, co dzieje się w mitochondriach. Stąd też wniosek, że stan proteomu mitochondrialnego (ilość i jakość białek mitochondrialnych) jest bardzo istotny, a dostarczanie nowych białek mitochondrialnych musi trwać cały czas. Podobnie jak chloroplasty w roślinach, mitochondria są zbudowane z podwójnej błony białkowo-lipidowej. Te dwie błony biologiczne, wewnętrzna błona i zewnętrzna błona mitochondrialna, oddzielają więcej niż jedną przestrzeń w obrębie mitochondriów, tworząc nie tylko dynamiczną strukturę, ale separując od siebie procesy i przeprowadzające te procesy białka. W mitochondriach jest więc kilka (co najmniej 4) części (przedziały), do których białka muszą dotrzeć, aby pełnić swoje funkcje.

Czyli można powiedzieć, że Pani biochemiczne korzenie dały o sobie znać i zajmują się państwo wpływem białek do mitochondriów, ich biogenezą, dojrzewaniem i składaniem?

Zdecydowanie tak. Dodatkowo nasze zainteresowania ostatnio poszerzyły się o bardzo ciekawy aspekt, jakim jest kontrola jakości białek i mechanizmy zabezpieczające przed nagromadzeniem białek zlokalizowanych w niewłaściwej części komórki. Kończąc mój staż podoktorski, miałam szansę założyć grupę jeszcze na Uniwersytecie w Freiburgu w Niemczech. Wtedy, moje zainteresowania skupiały się wokół białek znajdujących się w przestrzeni międzybłonowej mitochondriów. Odkryliśmy nowy i bardzo ciekawy mechanizm używany do prawidłowego zlokalizowania białek w tej części mitochondriów.

Na czym polegał mechanizm zatrzymywania białek w przestrzeni międzybłonowej mitochondriów?

Odkryliśmy, że proces ten oparty jest na tworzeniu się mostków dwusiarczkowych. Wcześniej istniało rozpowszechnione przekonanie, że mostki dwusiarczkowe nie mogą się tworzyć w przedziałach komórkowych, których środowisko chemiczne nie sprzyja ich tworzeniu (czyli własnie mitochondria czy cytoplazma). Mostki dwusiarczkowe były raczej związane z przedziałami komórkowymi, uznanymi za utleniające, takimi jak retikulum endoplazmatyczne w komórkach eukariotycznych czy periplazma bakteryjna. W doniesieniach naukowych pojawiały się informacje o mostkach dwusiarczkowych, oparte głównie na badaniach strukturalnych. Były one jednak powszechnie ignorowane i traktowane jako artefakty preparatyki. Odkryliśmy wyspecjalizowaną ścieżkę i tworzącą jej maszynerię, która katalitycznie wprowadza mostki dwusiarczkowe do białek i dzieje się tak nawet mimo niesprzyjającego redukującego środowiska. Tę ścieżkę nazwaliśmy MIA (ang. mitochondrial intermembrane space and assembly). Było to spektakularne odkrycie, które dość szybko zostało powszechnie zaakceptowane. Wkrótce okazało się, że ścieżka MIA występuje we wszystkich organizmach eukariotycznych, w tym u człowieka. A stworzona przeze mnie nazwa szlaku  weszła do powszechnego użycia.

Dlaczego biogeneza białek przestrzeni mitochondrialnej jest ważna?

Przestrzeń międzybłonowa mitochondriów jest miejscem lokalizacji ważnych procesów metabolicznych, głównie związanych z produkcję energii. Do generowania energii potrzebne są złożone z wielu białek kompleksy łańcuchów oddechowych. Ich część rdzeniowa znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, ale prawidłowe zbudowanie tych kompleksów zależy właśnie od białek przestrzeni międzybłonowej. Ważna funkcja białek przestrzeni międzybłonowej w mitochondriach związana jest więc z prawidłowym wytworzeniem i funkcjonowaniem łańcucha oddechowego. Inną dużą klasę białek przestrzeni międzybłonowej stanowią białka zapewniające transport pomiędzy różnymi częściami mitochondriów, między innymi odpowiedzialne za przenoszenie białek napływających z błony zewnętrznej do wewnętrznej błony mitochondrialnej. Nieprawidłowa biogeneza białek przestrzeni mitochondrialnej prowadzi więc do wielu defektów w funkcji mitochondriów.

W przestrzeni międzybłonowej bierze początek bardzo wiele procesów które zapoczątkowują śmierć komórki, czy tymi procesami też się Państwo zajmują?

Wiele białek przestrzeni międzybłonowej jest zaangażowanych w procesy towarzyszące programowanej śmierci komórki. Miedzy innymi mowa tutaj o wypływie cytochromu c z mitochondrium. Badania dotyczące transportu białek osiągnęły poziom bardzo mechanistyczny, co oznacza, że my jako naukowcy chcemy wiedzieć jak coś działa na poziomie molekularnym. I aby osiagnąć taki poziom zrozumienia potrzebny jest nam do tego bardzo dobry model, którym można stosunkowo łatwo i precyzyjnie manipulować. Drożdże Saccharomyces cerevisiae są do tego idealne. Programowana śmierć komórki organizmów jednokomórkowych jest jednak sprawą kontrowersyjną i jeśli rzeczywiście istnieje w drożdżach to raczej w bardzo uproszczonej i okrojonej formie. Dlatego też uznaliśmy, że tematyka programowanej śmierci komórki i powiązań z procesami biogenezy białek mitochondrialnych powinna być badana w innych modelach. Z inną sytuacją mamy do czynienia w przypadku białek odpowiedzialnych za transport, biogenezę a także kontrolę jakości białek mitochondrialnych. Białka zaangażowane w te fundamentalne procesy są ewolucyjnie bardzo dobrze konserwowane. Wykorzystujemy więc wiedzę zgromadzoną za pomocą prostego modelowego organizmu do zrozumienia tego, co dzieje się w organizmie ludzkim. Mam wrażenie, że podstawowe zasady działania procesów, które nas interesują, są bardzo podobne w prostych organizmach jednokomórkowych i w komórkach człowieka. Natomiast regulacja i plastyczność procesów związanych z mitochondrialną homeostazą białkową, rozumiane jako zmiany dostosowujące mitochondria do różnych warunków, stanów metabolicznych i programów rozwojowych są nieporównanie bardziej złożone u wyższych Eukariota. O ile drożdże są świetnym organizmem do badania fundamentalnych procesów komórkowej biochemii białek, o tyle nie jest to dobry model do badania np. programowanej śmierci komórki.

Wydaje się, że obiecujące wyniki otrzymane przez państwa na drożdżach skłaniają ku temu aby eksperymenty były równolegle wykonywane na komórkach wyższych Eukariota?

Udało nam się przenieść ludzkie geny kodujące translokazy białkowe do drożdży, całkowicie zastępując szlak drożdżowy szlakiem ludzkim. Pokazaliśmy, że drożdże bardzo wydajnie używały białek ludzkich, aby transportować swoje białka przestrzeni międzybłonowej do mitochondriów. Na podstawie tych badań prowadzonych na drożdżach pokazaliśmy, że translokazy drożdżowe i ludzkie nie tylko pełnią te same funkcje, ale też odkryliśmy ważną cechę tego procesu, która jest unikalna dla białka ludzkiego. Nasze ciekawe spostrzeżenie weryfikujemy teraz w komórkach ludzkich, a także w innym organizmie modelowym, z którym ostatnio rozpoczęliśmy pracę, rybie Danio rerio (ang. zebrafish).

Czy jest szansa na to, aby państwa badania podstawowe, znalazły odniesienie w zastosowaniach aplikacyjnych?

W czasie kiedy prowadziliśmy badania na zachowaniem funkcji translokaz w organizmach eukariotycznych, zdiagnozowano chorobę związaną z białkiem, będącym kluczowym elementem ścieżki MIA. Mutacja powodująca tę chorobę została przez nas przeniesiona do modelu drożdżowego. Zaawansowane i precyzyjne badania, możliwe do wykonania na drożdżach, pozwoliły nam zidentyfikować dokładną przyczynę molekularną tej patologii. Publikacja, która jest rezultatem naszych badań została wyróżniona w międzynarodowej bazie „Global Medical Discovery”. Zrozumienie stanów chorobowych jest kluczowe dla opracowania strategii ich leczenia i mamy nadzieję, że nasze badania się do tego przyczyniają. Jeśli zaburzenia funkcjonowania mitochondriów są duże, to spowodują śmierć zarodka na wczesnym etapie jego rozwoju. Przypadki chorób mitochondrialnych są więc stosunkowo rzadkie, jeśli porównamy ich częstość do częstości występowania np. typowych chorób cywilizacyjnych. Choroby mitochondrialne mogą być wynikiem mutacji w genomie mitochondrialnym (mitochondria mają swój własny genom kodujący kilka ważnych białek łańcucha oddechowego). Obecnie są one dość łatwe do zidentyfikowania, ponieważ genom mitochondrialny jest niewielki i jego sekwencja może być stosunkowo łatwo określona. Choroby mitochondrialne mogą być również spowodowane mutacjami w genach jądrowych, kodujących białka mitochondrialne. W tym przypadku, przyczyna molekularna znacznej części patologii o objawach świadczących o dysfunkcji mitochondriów nie jest jeszcze poznana. Spodziewamy się, że czynniki  regulujące homeostazę białek mitochondrialnych mogą mieć w tym swój znaczny udział. Zaburzenia homeostazy mitochondriów są również związane z procesami patologicznymi towarzyszącymi starzeniu się, a także procesami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Parkinsona czy Alzheimera. Badamy komórki ludzkie, ponieważ mechanizmy regulacyjne i kontrola jakości homeostazy białek mitochondrialnych są ważne i wiedza zdobyta przez nas może przyczynić się do zrozumienia procesów patologicznych. W przypadku wyższych Eukariota, czyli też człowieka, celowo podkreślam aspekt dotyczący kontroli jakości jako bardzo istotny. We wczesnych okresach rozwoju organizmu istnieje konieczność sprawnej biogenezy mitochondriów, ale później zaczyna ona zwalniać. Natomiast drożdże potrafią dzielić się raz na 2 godziny. To oznacza że co 2 godziny powielają one swoją masę oraz oczywiście masę mitochondriów.

Ale nasze ludzkie komórki nie dzielą się co 2 godziny?

Właśnie. Wydaje mi się, że aspekt kontroli jakości staje się jeszcze ważniejszy w komórkach dzielących się wolniej, lub wcale się niedzielących. W organizmach wielokomórkowych mitochondria nie tylko muszą zostać prawidłowo zbudowane, ale również muszą zostać utrzymane w odpowiednim stanie przez długi czas. Mitochondria są obecne w komórkach dzielących się i starzejących i wraz z upływem czasu będą gromadzić uszkodzenia, również te dotyczące proteomu. Prawidłowe rozpoznanie i usuwanie zniszczonych białek mitochondrialnych jest konieczne do przedłużenia życia komórki.

Czy możemy zatem przypuszczać, że w tym kierunku zmierzają państwa badania?

Tak, własnie zaprezentowałam nasze hipotezy i koncepcje, które już zaczęliśmy weryfikować i będziemy rozwijać w najbliższej przyszłości. Jednak nasze dotychczasowe modele badawcze, jednokomórkowe drożdże i hodowle in vitro komórek ludzkich, nie są wystarczające, aby badać rolę mitochondrialnej homoestazy białkowej w rozwoju organizmu wielokomórkowego. Dlatego rozpoczęliśmy hodowlę ryby Danio rerio, jako wspólny projekt łączący wiele grup w naszym Instytucie i zainicjowany przez prof. Jacka Kuźnickiego oraz dr hab. Martę Miączyńską. Ponadto interesuje nas, czy stan mitochondriów wpływa na decyzje dotyczące losów pojedynczych komórek w trakcie rozwoju organizmu wielokomórkowego. Wydaje mi się, że modyfikując mitochondria, modyfikujemy nie tylko dostępność energii, ale również zmieniamy funkcjonowanie ścieżek sygnalizacyjnych, które zarządzają takimi programami komórkowymi, jak podziały czy różnicowanie. Jest to nasze zadanie na przyszłość.

Wywiad przeprowadziła dr Marzena Szwed, redaktor naukowy portalu Biotechnologia.pl

Materiał opracowała: mgr Ewelina Gizińska