PGC-1α — тренер мітохондрій

Ріс. 1. Спідскейтери — люди з тренованими мітохондріями

Наші м’язи мають дивовижну здатність пристосовуватися до інтенсивності роботи, яку на них покладають. Канадські вчені зробили черговий крок у розумінні механізму такої адаптації. Тепер ми знаємо, що коли ми робимо легку ранкову пробіжку або катаємося на ковзанах, в наших м’язах невеликий білок PGC-1α переміщається з цитоплазми в мітохондрії, активуючи гени, необхідні для забезпечення нас енергією.

Гіподинамія — один з факторів ризику розвитку серцево-судинних захворювань, діабету 2-го типу, ожиріння та гіпертонії — захворювань, які набули широкого поширення в сучасному світі. Результати клінічних досліджень показують, що фізична активність (особливо виконання вправ на витривалість) знижує ризик розвитку хронічних захворювань і продовжує життя. Виявилося, що це пов’язано з балансом енергетичного метаболізму. Як відомо, за отримання енергії в наших клітинах відповідають мітохондрії. При тривалому фізичному навантаженні в клітинах серцевої і скелетних м’язів, мозку, печінки і жирової тканини збільшується кількість мітохондрій. Це добре відомий феномен, і його молекулярні основи зараз інтенсивно вивчаються.

Для створення і роботи мітохондрії потрібно близько 1500 різних білків. Хоча ці органели і володіють власним геномом, частина необхідних білків закодована в ядрі. Отже, щоб зібрати мітохондрію, необхідно координувати експресію ядерних і мітохондріальних генів.

Регуляція експресії генів — робота білків, які називаються факторами транскрипції. Вони можуть зв’язуватися з регуляторними областями генів (промоторами), сприяючи посадці на них ферменту РНК-полімерази, яка і синтезує мРНК, по якій потім буде синтезований білок.

Фактори транскрипції працюють не поодинці, їм потрібно безліч білків-помічників. Один з них — PGC-1α. Відомо, що при виконанні фізичних вправ кількість цього білка в клітці збільшується, і він переміщується з цитоплазми в ядро. PGC-1α запускає експресію низки факторів транскрипції. Потім вони активують гени ядерного і мітохондріального геному, необхідні для побудови мітохондрії.

Нещодавно з’ясувалося, що PGC-1α може проникати не тільки в ядро, але і в мітохондрії, де він міг би брати участь в активації генів мітохондріального геному. Мітохондрія має спеціальний фактор транскрипції — Tfam, який активує тільки гени мітохондріального геному. Досі не відомо жодних білків, які б допомагали йому в цьому процесі. Тому логічно перевірити, чи не виявиться PGC-1α білком-коактиватором Tfam.

Дослідники з Канади, чия робота опублікована в Journal of Biological Chemistry, вирішили вивчити роль транспорту PGC-1α в мітохондрію при виконанні фізичного навантаження.

Дослідники розділили мишей на три групи. Перша була контрольна (SED, від sedentary, «малорухливий»), миші з цієї групи вели малорухливий спосіб життя — сиділи в своїх клітинах. Миші з другої (END, від endurance, «витривалість») і третьої (END + 3) групи здійснювали інтенсивну фізичну роботу — бігали по біговій доріжці зі швидкістю 15 м/хв. протягом 90 хвилин. До кінця цього часу миші були практично знесилені. Миші з групи END відразу ж відправлялися на експериментальні процедури, а мишам з групи END + 3 давали перед цим 3 години, щоб відновитися.

Виявилося, що у мишей в групах END і END + 3 (тобто після навантаження) підвищена експресія мітохондріальних і ядерних генів (рис. 2). Серед них були гени різних суб’єднань НАДН-дегідрогенази, цитратсинтази, цитохрому з, а також деякі інші. Спільне для цих білків — те, що всі вони забезпечують отримання енергії в мітохондріях.

Крім того, збільшилася експресія мітохондріального фактора транскрипції Tfam і коактиватора PGC-1α. Таким чином, при збільшенні фізичного навантаження м’язи прагнуть пристосуватися до збільшених енергетичних потреб, збільшивши кількість ферментів, що використовуються при отриманні енергії.

Рис, 2. Збільшення експресії ядерних і мітохондріальних генів після фізичного навантаження у мишей. Ядерні гени: PDK4 (кіназа піруватдегідрогенази 4), PGC-1α, Tfam, COX-IV (4-та суб’єдіниця цитохром-з оксидази), CS (цитратсинтаза), ALAS (5-амінолевулінатсинтаза), cyt. с (цитохром-с). Мітохондріальні гени: ND1 (1-я суб’єдиниця НАДН-дегідрогенази), ND4 (4-я суб’єдиниця НАДН-дегідрогенази), COX-I (1-я суб’єдіниця цитохром-с-оксидази). Всі ці гени так чи інакше беруть участь у роботі мітохондрій

Чим обумовлено таке посилення експресії? Чи не може в цьому процесі брати участь PGC-1α? Дослідивши кількість цього білка до (миші групи SED) і після (миші групи END і END + 3) навантаження, вчені дійшли висновку, що його кількість під час навантаження не змінюється. Це не дивно, незважаючи на те, що кількість мРНК для білка збільшилася. Такий механізм, коли мРНК запасається в клітці до певного моменту, добре відомий.

Отже, якщо PGC-1α і бере участь у зміні експресії, то якимось іншим способом. Наприклад, загальна кількість білка в клітині може не змінюватися, але він може просто перерозподілятися між різними частинами клітини. Раніше вже було показано, що PGC-1α виявляється в мітохондріях, але яку роль він там грає, було неясно.

Тому вчені перевірили вміст білка в мітохондріях і в ядрах у мишей з різних груп (рис. 3). Виявилося, що кількість білка в цих органелах істотно збільшується відразу після навантаження (група END), а також продовжує зростати після неї (група END + 3). Отже, міграція PGC-1α в ядро і в мітохондрії може бути причиною активації генів у відповідь на фізичне навантаження.

Однак сам по собі PGC-1α — не фактор транскрипції, а його помічник. Відомо, що мітохондрія має свій власний фактор транскрипції Tfam. Вчені припустили, що PGC-1α може зв’язуватися з Tfam і таким чином брати участь в активації експресії генів мітохондрії. Виявилося, що в клітинах мишей з групи END і END + 3 кількість білка PGC-1α, що взаємодіє з Tfam, збільшується. Отже, PGC-1α може взаємодіяти з фактором транскрипції Tfam, посилюючи його активність.

Рис, 3. Збільшення кількості білка PGC-1α в ядрі (А) і в мітохондріях (В). На малюнку C показано зміну кількості білка PGC-1α, пов’язаного з фактором транскрипції Tfam. Аналіз проводили методом вестерн-блоттингу: білки рухаються в гелі під дією електричного струму і розділяють за розміром. Потім, знову ж під дією струму, їх переносять на мембрану, отримуючи «відбиток» гелю. Після цього мембрану інкубують з антитілами до цікавого білка (в даному випадку — з антитілами до PGC-1), до яких пришитий фермент (наприклад, пероксидаза). Якщо на таку мембрану налити субстрат ферменту, то почнеться хімічна реакція, яка протікає з виділенням світла. Якщо до мембрани прикласти фотоплівку, то на ній виявляться засвіченими тільки ті ділянки, де знаходився білок, адже фермент пов’язаний з антитілами до цього білка. Інтенсивність засвічування плівки пропорційна кількості білка. Таким чином, на малюнку там, де плями темніші, білка більше. Щоб визначити кількість PGC-1α, пов’язаної з Tfam, до зруйнованих мітохондріїв додавали антитіла проти Tfam, які були міцно пов’язані з мікрогранулами. Потім ці мікрогранули осаджували з розчину (а разом з ними і Tfam і пов’язані з ним білки) і за допомогою вестерн-блоттингу дивилися, скільки PGC-1α зв’язалося з Tfam в кожному випадку

У підсумку складається наступна картина. Коли клітини м’язів зайняті тривалою фізичною роботою, їхні енергетичні потреби збільшуються. Клітини намагаються пристосуватися до нових умов. Для цього їм необхідно збільшити кількість мітохондрій або кількість ферментів, що забезпечують синтез АТФ у вже існуючих мітохондріях. Отже, необхідно активувати експресію генів, причому як в ядрі, так і в мітохондріях. Тому PGC-1α переміщається в ядро і в мітохондрії, де допомагає факторам транскрипції активувати роботу генів. Таким чином, PGC-1α є частиною механізму, що допомагає м’язам адаптуватися до тривалих навантажень.

Яка природа сигналів, що змушують PGC-1α переміщатися в мітохондрію і ядро? Вчені припускають, що це, по-перше, якась модифікація білка. Наприклад, фосфорилювання під дією клітинних кіназ. Самі ці кінази можуть активуватися активними формами кисню. А, як відомо, при інтенсивній роботі збільшується швидкість дихання мітохондрій, що призводить до збільшення кількості активних форм кисню.

Ще одне питання пов’язане з механізмом проникнення PGC-1α в мітохондрію. Через її мембрани можуть проходити білки, що мають спеціальну сигнальну послідовність. У PGC-1α її виявлено не було. Однак, можливо, PGC-1α може чіплятися до білків, у яких такий сигнал є, і таким чином проникати в органелу.

Всі ці питання мають не тільки суто наукове значення. Сьогодні PGC-1α розглядається як одна з мішеней для лікування захворювань, пов’язаних з мітохондріями. Наприклад, невелике збільшення експресії PGC-1α в м’язах призводить до ослаблення атрофії, полегшує перебіг м’язової дистрофії Дюшена, хвороби Паркінсона і Хантінгтона. Крім того, PGC-1α сприяє збереженню нервово-м’язових синапсів, зниженню жирових відкладень і запалення, допомагає підтримувати в нормі рівень глюкози та інсуліну в крові. Отже, порушення локалізації PGC-1α може бути пов’язане з усіма подібними патологіями.

У майбутньому, коли для лікування хвороб буде випробувана генна терапія з використанням PGC-1α, виникне проблема його правильної локалізації. І тоді, можливо, саме фізичні вправи можуть бути єдиним і досить безпечним способом досягти цього ефекту.

Джерело: Adeel Safdar, Jonathan P. Little, Andrew J. Stokl, Bart P. Hettinga, Mahmood Akhtar, Mark A. Tarnopolsky. Exercise Increases Mitochondrial PGC-1α Content and Promotes Nuclear-Mitochondrial Cross-talk to Coordinate Mitochondrial Biogenesis // Journal of Biological Chemistry. 2011. V. 286 (12). P. 10605–10617.

Дмитро Кирюхін