Cómo llegan las proteínas de señalización a la superficie mitocondrial

Las mitocondrias son orgánulos más conocidos por proporcionar la energía que alimenta las reacciones químicas dentro de las células, pero también participan en otros procesos importantes para la salud celular, incluida la respuesta inmune innata a patógenos como los virus, la muerte celular programada y las interacciones con otros. . Los procesos celulares desempeñan un papel en la salud y la enfermedad. Las proteínas de señalización que actúan como interfaz de las mitocondrias con el resto de la célula son actores clave en estos procesos.

La superficie exterior de las mitocondrias, conocida como membrana mitocondrial externa (OMM), es fundamental para la regulación de la dinámica mitocondrial y la salud celular y está repleta de proteínas de señalización. Una célula puede alterar la composición proteica del OMM para adaptarse a la función de las mitocondrias individuales, mientras que los patógenos pueden manipular el panorama del OMM para su beneficio. Además, los desequilibrios en la composición de la proteína OMM se han relacionado con enfermedades como el cáncer y enfermedades neurodegenerativas, como el Parkinson y el Alzheimer.

Cuanto mejor comprendan los investigadores la dinámica de estas proteínas OMM, más conocimientos podrán obtener sobre las funciones que desempeñan en la función mitocondrial y su relevancia para la salud y la enfermedad. Es por eso que Jonathan Wiseman, miembro del Instituto Whitehead, profesor de biología en el Instituto de Tecnología de Massachusetts e investigador del Instituto Médico Howard Hughes; Alina Guna, profesora asistente postdoctoral conjunta en el laboratorio de Weissman y el laboratorio Rebecca Voorhees del Instituto de Tecnología de California; Y Gayathri Muthukumar, estudiante de posgrado en el laboratorio de Wiseman, se propuso aprender más sobre cómo se producen y regulan las proteínas alfa-helicoidales, uno de los principales subconjuntos de proteínas OMM.

En la revista se publica un modelo detallado elaborado por investigadores de las diferentes vías y moléculas implicadas en el mantenimiento de esta parte del panorama de las proteínas OMM. Célula molecular El 29 de febrero.

«Las proteínas alfa-helicoidales OMM son una clase grande y diversa, y esto nos llevó a la pregunta de cómo la célula organiza la biosíntesis de estas diversas proteínas», dice Muthukumar. «Ahora que tenemos una comprensión más amplia y completa de los actores moleculares específicos involucrados y cómo funcionan las vías, esto nos permite comprender mejor el OMM como plataforma de señalización y cómo se manipula en condiciones de enfermedad».

Un grupo de proteínas difícil de clasificar

Las proteínas que observaron los investigadores eran todas proteínas transmembrana, lo que significa que se insertan y cruzan la membrana externa. Son alfa-helicoidales, lo que significa que tienen forma de espiral o hélice en sus dominios transmembrana, las partes de la proteína que atraviesan la membrana. Algunas proteínas cruzan la membrana solo una vez, con un extremo fuera de la mitocondria y el otro dentro. Otros se pliegan para entrar y salir de la membrana varias veces.

Las proteínas transmembrana suponen un desafío para el ensamblaje celular adecuado. Las partes básicas de la proteína se forman mediante maquinaria en el núcleo celular y luego deben entregarse al OMM. Los dominios transmembrana de las proteínas son estables una vez insertados, pero incluso cuando hay nuevas proteínas en el cuerpo principal de la célula, estos dominios son inestables y es probable que se peguen entre sí.

Normalmente, estas proteínas requieren de los llamados acompañantes para emparejarlas y rescatarlas en su viaje hacia el OMM; de lo contrario, se degradan o agregan. La formación de grumos impide que las proteínas lleguen al OMM y hagan su trabajo allí, pero los grumos mal plegados pueden causar problemas a la célula. Otro desafío es que las proteínas transmembrana son propensas a errores en el plegamiento que alteran su función y pueden provocar enfermedades.

Weisman y sus colegas querían comprender qué mecanismos utiliza la célula para entregar e insertar de forma segura estas proteínas en el OMM, o si hay errores en su síntesis, las proteínas se destruyen. Utilizando el método de detección de interferencia CRISPR (CRISPRi) desarrollado por Weissman y sus colaboradores, los investigadores realizaron pruebas genéticas sistemáticas a gran escala para encontrar las moléculas necesarias para adquirir varias proteínas OMM.

Lanzar una red más amplia revela una variedad de actores moleculares

Los investigadores, dirigidos por Muthukumar, el primer autor del estudio, descubrieron que las proteínas siguen diferentes caminos hacia el OMM: si cruzan la membrana una o varias veces, y qué extremo de la proteína mira hacia el exterior o hacia el interior. de la mitocondria.

Los investigadores encontraron diferentes vías para tres clases de proteínas: proteínas ancladas a señales, que contienen el inicio de una proteína que mira hacia adentro una vez que atraviesa la membrana; Las proteínas ancladas a la cola, una vez que atraviesan la membrana, miran sus orígenes hacia el exterior; y proteínas politópicas, que cruzan la membrana varias veces (y dependen de la misma vía independientemente de la orientación de la señal y la cola).

Los investigadores utilizaron su método de detección para examinar qué moléculas son esenciales para la distribución, inserción y control de calidad o degradación adecuados de cada clase de proteína OMM. Descubrieron que, hasta donde sabían, para las proteínas ancladas a la cola, no se requería ningún tipo de acompañante para adquirir el OMM. Las proteínas ancladas a señales requieren una nueva chaperona, TTC1, cuyo papel en la célula se desconocía previamente.

Los investigadores realizaron más experimentos para caracterizar TTC1 y obtener información sobre cómo interactúa con las proteínas OMM. Utilizaron un sistema de IA llamado AlphaFold para generar modelos de TTC1 derivados de IA e identificaron una nueva interfaz con estos modelos que estabiliza los dominios transmembrana de TTC1 en el cuerpo celular. Finalmente, los investigadores descubrieron que las proteínas politópicas se denominan chaperonas del complejo NAC, un complejo proteico, pero sólo para una clase específica de proteínas; Esta investigación amplía su papel.

Las vías para la mayoría de las proteínas luego convergen en una única vía para su inserción en el OMM. Están guiados predominantemente por MTCH2, una insertasa (molécula facilitadora de la inserción) identificada recientemente por los laboratorios Weissman y Voorhes.

Además, los investigadores obtuvieron información sobre las moléculas que mantienen el control de calidad sobre las proteínas OMM, degradándolas cuando hay un problema: descubrieron que la molécula UBQLN1 puede disociar algunas proteínas de anclaje de la cola en el cuerpo principal de la célula. Los tres tipos pueden disociarse una vez en el OMM mediante la molécula MARCHF5. Los investigadores señalan que el control de calidad no fue el foco de su estudio y que se necesitan estudios de seguimiento para aprender más sobre los mecanismos de control de calidad.

En conjunto, estos hallazgos permitieron a los investigadores mapear en detalle las vías por las cuales las proteínas alfa-helicoidales se entregan e insertan en el OMM, así como comprender algunas de las formas en que se regulan para el control de calidad. La variedad de hallazgos sólo ha sido posible gracias a los métodos de detección genética a gran escala desarrollados en los últimos años por Weissman et al.

«Al observar muchos tipos diferentes de proteínas y múltiples proteínas de cada tipo y crear una lista completa de partes para su síntesis, podemos extraer los principios generales de los tipos de proteínas y las idiosincrasias de cada proteína en particular», dice Weissman. «Creo que este proyecto muestra cómo se pueden utilizar métodos sistemáticos y la biología celular clásica para resolver un problema de manera importante en un solo artículo».

Estos métodos permitieron a los investigadores recopilar una gran cantidad de datos, que pretenden seguir analizando para hacer más descubrimientos sobre las proteínas OMM y las moléculas que interactúan con ellas. Además, los investigadores esperan que sus hallazgos actuales puedan proporcionar nuevos conocimientos sobre la dinámica del OMM como plataforma de señalización para la célula, que participa en muchos procesos importantes en la salud y la enfermedad.

Comprender las vías que regulan la composición de la proteína OMM ayudará a los investigadores a descubrir cómo los cambios en esta composición afectan la función y disfunción mitocondrial. En última instancia, los hallazgos podrían permitir a los investigadores alterar el panorama de las proteínas OMM, lo que podría conducir a tratamientos para enfermedades relacionadas con OMM, desde cáncer hasta neurodegeneración e infecciones virales.

«Debido a su importancia, los desequilibrios en las proteínas OMM se han relacionado con diversas enfermedades», afirma Guna. «Por lo tanto, cómo se producen estas proteínas no es sólo un problema fundamental en la biología celular, sino que tiene implicaciones de gran alcance. Si entendemos cómo se producen estas proteínas, nos da la capacidad de intervenir para cambiarlas en estados de salud o de enfermedad. La composición del proteoma OMM y la composición del OMM pueden potencialmente dirigir a una célula hacia o lejos de un destino particular».