Η σύνθετη ζωή των φυτών:σύμπλοκα μιτοχονδριακής μεταλοκάσης

Τα μιτοχόνδρια είναι οργανίδια παραγωγής ενέργειας στο κύτταρο. Είναι κυρίως υπεύθυνοι για την παραγωγή ATP, ενός μορίου υψηλής ενέργειας που χρησιμοποιείται σε διάφορες κυτταρικές δραστηριότητες. Η παραγωγή ATP λαμβάνει χώρα κατά τη διαδικασία αναπνοής που έλαβε χώρα μέσα στα μικροσκοπικά διαμερίσματα του.

Ωστόσο, οι περισσότερες πρωτεΐνες που χτίζουν τα μιτοχόνδρια και απαιτούνται για τη δραστηριότητά τους δεν συντίθενται εντός, αλλά από τον μηχανισμό σύνθεσης πρωτεϊνών που ονομάζονται ριβοσώματα που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα, όπως και η πλειονότητα των κυτταρικών πρωτεϊνών. Το ερώτημα είναι πώς οι πρωτεΐνες, οι οποίες απαιτούνται για τη δημιουργία μιτοχονδρίων, εισέρχονται στο οργανίδιο για να κάνουν τη δουλειά τους; Η απάντηση βρίσκεται στον εξειδικευμένο μηχανισμό εισαγωγής πρωτεϊνών που αναπτύχθηκε από τα μιτοχόνδρια.

Τα μιτοχόνδρια πιστεύεται ότι προέκυψαν από την ενσωμάτωση προκαρυωτικών που καταναλώνουν οξυγόνο από προγονικά ευκαρυωτικά κύτταρα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή η εξέλιξη, που ονομάζεται ενδοσυμβιωτική διαδικασία, είναι ένα σημαντικό σημείο καμπής που δημιούργησε σύγχρονους ευκαρυώτες όπως μύκητες, φυτά και ζώα. Τα φυτά, ωστόσο, έχουν ένα μοναδικό χαρακτηριστικό σε σύγκριση με άλλα, καθώς έχουν όχι μόνο ένα αλλά δύο οργανίδια που προέρχονται από ενδοσυμβιωτικά, μιτοχόνδρια και πλαστίδια. Και οι δύο τυχαίνει να είναι κυρίως υπεύθυνοι για την παραγωγή ενέργειας και μορίων που απαιτούνται για τη ζωή. Είναι αρκετά ενδιαφέρον ότι ορισμένες πρωτεΐνες που συντίθενται στο κυτταρόπλασμα μπορεί να στοχεύουν διπλά τόσο στα μιτοχόνδρια όσο και στα πλαστίδια. Ως αποτέλεσμα, ορισμένα από τα μιτοχονδριακά συστατικά στα φυτά είναι αποκλειστικά και έχουν αποκτήσει σημαντικό ενδιαφέρον μεταξύ των φυτικών μοριακών βιολόγων να διευκρινιστούν.

Παρά το μικροσκοπικό του μέγεθος, ο μηχανισμός στόχευσης πρωτεΐνης στο μιτοχόνδριο είναι εκπληκτικά πολύπλοκος και περιλαμβάνει διάφορα πρωτεϊνικά σύμπλοκα. Είναι πολύ απασχολημένο όλη την ώρα! Το μιτοχόνδριο είναι ένα οργανίδιο που συνδέεται με διπλή μεμβράνη. Κατά συνέπεια, υπάρχουν επίσης δύο κύρια συστατικά των πρωτεϊνικών τρανσλοκάσες που βρίσκονται στην εξωτερική και την εσωτερική μεμβράνη, για να μετακινούν τις πρωτεΐνες κατά μήκος του υποδιαμερίσματος από την εξωτερική μεμβράνη στην εσωτερική μεμβράνη, τον χώρο της εσωτερικής μεμβράνης (IMS) μεταξύ τους και τη μήτρα.

Στην εξωτερική μεμβράνη, υπάρχει η translocase της εξωτερικής μεμβράνης (TOM) και τα σύμπλοκα μηχανημάτων ταξινόμησης και συναρμολόγησης (SAM) που είναι υπεύθυνα για την αρχική αναγνώριση στοχευμένων πρωτεϊνών και άλλων μακρομορίων. Ενώ στην εσωτερική μεμβράνη, το σύμπλοκο translocase της εσωτερικής μεμβράνης (TIM) χρησιμεύει ως ο πρωτεϊνικός επιλογέας. Στο IMS, η διαλογή πρωτεϊνών εκτελείται γενικά από το σύμπλεγμα εισαγωγής και συναρμολόγησης χώρου της εσωτερικής μεμβράνης (MIA). Τα συστατικά μιτοχονδριακής εισαγωγής φυτών φαίνονται στο σχήμα. Μαζί, αυτά τα συστατικά translocase συνθέτουν τέσσερις κύριες οδούς στη μετατόπιση στοχευμένων πρωτεϊνών με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Αυτά είναι η γενική οδός εισαγωγής, η οδός εισαγωγής φορέα, η οδός MIA και η οδός SAM που είναι κυρίως υπεύθυνη για τη μεταφορά πρωτεϊνών με προ-αλληλουχία, πρωτεΐνες με εσωτερικά σήματα, πρωτεΐνες διπλής κυστεΐνης και πρωτεΐνες β-βαρελιού, αντίστοιχα.

Αυτά τα σύμπλοκα έχουν πολλαπλά πρωτεϊνικά μέρη που δρουν μαζί για την αναγνώριση των σημάτων και τη μεταφορά των πρωτεϊνών σε διαφορετικές θέσεις οργανιδίων. Είναι ενδιαφέρον ότι, παρόλο που τα σύμπλοκα translocase έχουν παρατηρηθεί σε όλους τους ευκαρυώτες, τα συστατικά και η δομική διάταξη των συστατικών εισαγωγής στα φυτά μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από τα άλλα. Για παράδειγμα, ορισμένα συστατικά TOM δεν βρέθηκαν σε φυτά αλλά έχουν χαρακτηριστεί στη ζύμη (Saccharomyces cerevisiae ) όπως Tom70 και Tom22/9.

Από την άλλη πλευρά, ορισμένα συστατικά είναι αποκλειστικά φυτά όπως το Om64, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά, μεταξύ άλλων, μιας υπομονάδας της συνθάσης ATP. Η συνθάση ATP είναι ένα ενζυματικό σύμπλεγμα που είναι υπεύθυνο για την παραγωγή ATP, τον κύριο ρόλο των μιτοχονδρίων. Η διαγραφή του Om64 μαζί με άλλα βασικά συστατικά TOM είναι θανατηφόρα για τα φυτά, αποδεικνύοντας τον ουσιαστικό ρόλο τους στη βιογένεση και τη δραστηριότητα των μιτοχονδρίων.

Μια πρόσφατη συστηματική πρωτεομική μελέτη των μιτοχονδριακών συστατικών εισαγωγής Arabidopsis έδειξε ότι δεν έχουν όλα τα συστατικά τον ίδιο ρυθμό κύκλου εργασιών. Ορισμένα έχουν σχετικά ταχύτερο κύκλο εργασιών, πράγμα που σημαίνει ότι η μεταβολή τους στην αφθονία είναι υψηλότερη από άλλα σημαντικά συστατικά. Αυτά τα "γρήγορα" στοιχεία εισαγωγής περιλαμβάνουν τα Tom20 και Tim17. Προβλέπεται ότι αυτά τα «γρήγορα» συστατικά χρειάζονται για τα στάδια ανάπτυξης και ανάπτυξης των φυτών που απαιτούν γρήγορη πρωτεϊνοσύνθεση. Αξίζει επίσης να αναφέρουμε ότι τα ομόλογα Tim17 είναι όντως καθοριστικά για τη βλάστηση των φυτών και την απόκριση στο στρες.

Αυτές οι περίπλοκες ρυθμίσεις εισαγωγής πρωτεϊνών εγείρουν το επόμενο ερώτημα:πώς αυτά τα σύμπλοκα αναγνωρίζουν ποιες πρωτεΐνες μπορούν να εισέλθουν και ποιες πρέπει να μεταβούν σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία; Το κλειδί για αυτήν την εισαγωγή βρίσκεται στο σήμα στόχευσης εντός της αλληλουχίας πρωτεΐνης.

Τα πεπτίδια στόχευσης είναι ένα σύνολο αλληλουχιών αμινοξέων εντός στοχευμένων πρωτεϊνών που αντιστοιχούν στην αναγνώριση και ταξινόμηση από τα συστατικά εισαγωγής πρωτεΐνης. Υπάρχουν κυρίως δύο τύποι σημάτων στόχευσης:διασπώμενα και μη διασπώμενα. Η πλειονότητα (περίπου το 70%) των πρωτεϊνών που προορίζονται για τα μιτοχόνδρια περιέχουν διασπάσιμο πεπτίδιο στόχευσης, που ονομάζονται προαλληλουχίες, το οποίο θα διασπαστεί κατά την εισαγωγή και θα αφομοιωθεί περαιτέρω σε αμινοξύ μέσω μιας οδού επεξεργασίας πολλαπλών σταδίων. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι η δευτερογενής δομή του πεπτιδίου στόχευσης καθορίζει την αναγνώριση από τα συστατικά εισαγωγής και όχι από την αλληλουχία του. Για παράδειγμα, οι μιτοχονδριακές προαλληλουχίες συχνά σχηματίζουν αμφίφιλες α-έλικες που αναγνωρίζονται από το σύμπλεγμα ΤΟΜ. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί ορισμένες πρωτεΐνες στοχεύουν σε πολλαπλά οργανίδια, γεγονός που οφείλεται στην προτίμηση των translocases να αναγνωρίζουν ένα δομικό χαρακτηριστικό αντί για την ακριβή αλληλουχία.

Τα συστατικά εισαγωγής φυτικών μιτοχονδριακών πρωτεϊνών έχουν χαμηλή διατήρηση σε σύγκριση με άλλους ευκαρυώτες. Έχουν χαρακτηριστεί διακριτά συστατικά μεταφοράς πρωτεϊνών μέχρι σήμερα τα οποία διαφέρουν δομικά και ρυθμιστικά από τις στενά συνδεδεμένες πρωτεΐνες άλλων ευκαρυωτών. Έτσι, είναι δύσκολο να χαρακτηριστούν νέα στοιχεία εισαγωγής αποκλειστικά από ανάλυση αλληλουχίας και φυλογενετικές μελέτες. Γενετικές και βιοχημικές μελέτες μπορεί να ρίξουν φως στον χαρακτηρισμό αυτών των νέων συστατικών εισαγωγής που λειτουργούν ως φύλακας της βιογένεσης και της δραστηριότητας των μιτοχονδρίων, καθώς και των κανονισμών για την ανάπτυξη και την απόκριση στο στρες στα φυτά.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Φυτικά μιτοχονδριακά συστατικά πρωτεϊνών εισαγωγής:τα μέσα και τα έξω, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Biochemical Journal . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Abi S. Ghifari, Mabel LA. Gill-Hille και Monika W. Murcha από το Πανεπιστήμιο της Δυτικής Αυστραλίας.