Как известно, митохондрии являются электростанциями клетки. Однако эти стержневидные органеллы также выполняют другие функции, в том числе служат химическими фабриками и производят ключевые молекулы, необходимые для построения белков и других клеточных компонентов. Как клетки уравновешивают эти конкурирующие приоритеты, когда питательных веществ не хватает, было неясно. В статье, опубликованной в Nature, ученые сообщили, что они обнаружили, что митохондрии в отдельной клетке могут специализироваться на каждой работе, при этом некоторые из них сосредотачиваются на производстве энергии, а другие посвящают себя молекулярному производству. Такое разделение труда может помочь клеткам эффективнее заживлять раны, но раковые клетки также могут использовать его для ускорения своего бурного роста.
Считается, что митохондрии произошли от свободноживущей бактерии, которая попала в ловушку внутри сложной клетки и порабощена ее потребностями. Митохондрии выкачивают АТФ, богатую энергией молекулу, которая питает большинство клеточных действий. Но органеллы также формируют некоторые аминокислоты в белках и других необходимых молекулах. Митохондрии не являются единственным источником — например, мы получаем некоторые аминокислоты из нашего рациона — но они являются важными участниками. Однако клетки имеют лишь ограниченное количество молекулярного сырья, которое необходимо митохондриям для выполнения любой из задач. Чтобы синтезировать аминокислоты, органеллы должны перенаправлять молекулы, которые в противном случае пошли бы на создание АТФ, потенциально снижая выработку энергии клеткой.
Когда у клеток много еды, они могут выполнять обе работы, не экономя. Но биолог клеток Крейг Томпсон из Мемориального онкологического центра имени Слоуна-Кеттеринга и его коллеги хотели выяснить, что происходит, когда клетки сталкиваются с дефицитом питательных веществ, что может произойти, скажем, когда кровообращение в какой-то части тела ухудшается из-за повреждения кровеносных сосудов. Исследователи выращивали мышиные клетки на культуральных смесях, которые заставляли клетки получать энергию исключительно из своих митохондрий, а не из альтернативных реакций генерации АТФ. Хотя клетки увеличили выработку митохондриальной энергии, органеллы все равно смогли синтезировать аминокислоты. «Мы были очень удивлены», — сказал Томпсон. «Один процесс должен красть ресурсы другого».
Копнув глубже, ученые остановились на ключевом митохондриальном ферменте, известном как P5CS, который собирается в нити, помогающие органеллам катализировать этап образования аминокислот. Внутри лишенных питательных веществ клеток мышей исследователи обнаружили, что молекулы P5CS собирались в группы только в некоторых митохондриях. Когда ученые генетически модифицировали клетки, чтобы создать версию фермента, которая не собирается, митохондрии больше не могли производить аминокислоты. Исследователи обнаружили, что белковые сгустки также скрывались в некоторых митохондриях клеток рака поджелудочной железы человека — опухоли часто перерастают свое кровоснабжение и, таким образом, испытывают нехватку питательных веществ.
Митохондрии, в которых находились кластеры P5CS, показали еще два отличия. Во-первых, у них отсутствовал фермент, который производит АТФ. У них также отсутствовала морщинистая внутренняя мембрана, которая повышает эффективность производства АТФ. Оказывается, сообщают исследователи, что клетки с низким содержанием питательных веществ порождают два подтипа митохондрий, которые фокусируются либо на выработке энергии, либо на построении молекул. Команда Томпсона также обнаружила, что способность органелл к дифференциации зависит от их способности склеиваться и распадаться, что часто встречается среди митохондрий.
Исследователи уже обнаруживали митохондриальное разнообразие, но это исследование предлагает «пример того, как элегантно проверить его и последствия для принятия решений клетками». «Мне нравится эта работа», говорит клеточный биолог Джоди Нуннари из Altos Labs, компании, занимающейся лечением омоложения клеток. Она говорит, что дальнейшие исследования должны определить, насколько важна специализация для клеток. «Если у вас нет этой способности, как клетка выживает?»
Ученым также необходимо определить, «какая часть этого происходит вне чашки, в живом организме», — говорит митохондриальный психобиолог Мартин Пикард из Колумбийского университета. Он добавляет, что исследование согласуется с новыми открытиями о множественных способностях митохондрий. «Эта статья помогает закрепить мнение о том, что митохондрии — это не просто электростанции».
