Биологи из Duke-NUS Medical School обнаружили новый механизм, позволяющий клеткам поддерживать производство энергии, даже когда их основной источник питания падает/отказывается. В сотрудничестве с международной группой исследователей ученые обнаружили, что ранее неизвестный белковый суперкомплекс, названный SC-XL, усиливает производство энергии и снижает вредные побочные продукты в клетках с определенными генетическими нарушениями.

Эти результаты, опубликованные в журнале Cell Metabolism , могут проложить путь к новым терапевтическим подходам, направленным на лечение расстройств, вызванных дефицитом выработки клеточной энергии , в частности ишемической болезни сердца — заболевания, при котором суженные артерии ограничивают приток крови и кислорода к сердцу.

Митохондрии, часто описываемые как клеточные электростанции, генерируют энергию через последовательность, называемую цепью переноса электронов , включающую различные белковые комплексы. Это новое исследование показывает, что SC-XL может усиливать выработку энергии, даже когда традиционные энергетические пути дают сбой, например, при ишемической болезни сердца, которая остается основной причиной смерти в Сингапуре — на нее приходится почти 19% смертей в 2019 году и которая ежегодно становится причиной более 20,5 миллионов смертей во всем мире, причем ожидается, что к 2050 году эти показатели возрастут из-за старения населения и экономического неравенства.

Результаты показали, что формирование SC-XL может улучшить митохондриальную функцию, даже если активность комплекса III снижена до 70%, помогая поддерживать производство энергии и поддерживать функцию сердца в условиях ишемического стресса. Усиливая окисление жирных кислот, SC-XL также улучшает метаболическое здоровье и снижает повреждения, вызванные окислительным стрессом.

Доктор Лян Чао, научный сотрудник Программы сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний в Университете Дьюка и Нью-Йорка, который был первым автором исследования, сказал, что новые результаты могут иметь интересное применение: «Мы с оптимизмом смотрим на потенциал воздействия на суперкомплексы как на терапевтическую стратегию при хронических метаболических заболеваниях, связанных с дисфункцией митохондрий».

Считается, что митохондриальные суперкомплексы стабилизируют митохондриальную функцию во время стресса, помогая поддерживать производство энергии и минимизировать клеточные повреждения. Генетические мутации, влияющие на формирование Комплекса III, могут привести к спонтанному созданию SC-XL.

Используя криоэлектронную микроскопию высокого разрешения, созданную в сотрудничестве с доктором Джеймсом А. Леттсом из Калифорнийского университета в Дэвисе, исследователи показали, что SC-XL состоит из двух субъединиц комплекса I и двух субъединиц комплекса III.

Они обнаружили, что образование SC-XL увеличивает количество складок во внутренней митохондриальной мембране, расширяя ее поверхность. В результате в мембрану может быть встроено больше белков, вырабатывающих энергию, что повышает общую выработку энергии. Эта структурная адаптация позволяет клеткам компенсировать сниженную активность Комплекса III, подчеркивая динамическую и гибкую природу структуры и функции митохондрий.

Команда также обнаружила, что если бы формирование SC-XL было заблокировано в этих клетках, они не смогли бы компенсировать снижение производства энергии. Это подчеркивает критическую роль SC-XL в поддержании энергетического баланса клеток.

Ведущий автор исследования, доцент Лена Хо из программы по сердечно-сосудистым и метаболическим расстройствам Duke-NUS, сказала: «Понимание суперкомплексов меняет наш подход к здоровью митохондрий. Хотя они наблюдались биохимически в течение десятилетий, их реальные функции были неуловимы. Теперь мы рассматриваем их как критически важные резервные системы, которые включаются для поддержания энергии, когда основные источники дают сбой. Наша следующая задача — активировать эти резервные системы заблаговременно, не дожидаясь стрессового триггера».

Команда также обнаружила, что образование SC-XL снижает выработку активных форм кислорода, которые являются вредными побочными продуктами митохондриальной активности, которые могут повредить клеточные компоненты. SC-XL, по-видимому, заставляет клетки более эффективно использовать жиры в качестве источника энергии, усиливая окисление жирных кислот. Это не только повышает выработку энергии, но и помогает предотвратить накопление избыточных липидов, что может улучшить метаболическое здоровье .

Профессор Патрик Тан, старший заместитель декана по исследованиям в Duke-NUS, прокомментировал: «Это открытие меняет наше понимание клеточных энергетических систем и прокладывает путь к новым методам лечения митохондриальной дисфункции. В Duke-NUS мы занимаемся исследованиями, которые приносят реальную пользу для здоровья. Изучение суперкомплексов SC-XL не только расширяет наши научные знания, но и выявляет потенциальные терапевтические стратегии для значительного улучшения результатов лечения пациентов с сердечными и метаболическими нарушениями».