Team afslører overraskende detaljer om afgørende energiproducerende enzym

En ny undersøgelse fra University of Miami og University of Nebraska-Lincoln har ændret årtiers doktrin om et enzym, hvis mutation eller funktionsfejl kan udløse dødelige sygdomme tidligt i livet. Forskerholdet, som omfattede Nebraskas Jonathan Dietz og Javier Seravalli, rapporterede sine resultater i tidsskriftet Nature Communications .

Dette enzym, cytochrom c-oxidase, findes i mitokondrier og fungerer som en indgang til de cellulære organeller, der er bedst kendt for at generere energi, der driver alle mulige livsopretholdende operationer. Cytochrom c-oxidase er også blandt de sidste aktører i en Rube Goldberg-agtig parade af interaktioner, der transporterer og i sidste ende omdanner biokemisk valuta – ilt og glucose – til det energilagrende molekyle kendt som ATP.

Selve samlingen af ​​cytochrom c-oxidase er heller næppe en simpel proces. Faktisk har biokemikere brugt årevis på at finde sammen, hvordan det enorme enzym bliver sat sammen.

"Det er virkelig sofistikeret maskineri," sagde Oleh Khalimonchuk, Susan J. Rosowski professor i biokemi ved Nebraska og en førende medforfatter af undersøgelsen.

Biokemikere undersøgte oprindeligt enzymet i bakterier, gær og andre encellede organismer, der udviklede cytochrom c-oxidase længe før mennesker gjorde. Men kompleksiteten af ​​både menneskelige celler og enzymet, som består af mere end et dusin underenheder, har komplicerede forsøg på at vurdere dets samling i disse celler. Til dato har forskere dog antaget, at samlingen af ​​enzymets katalytiske kerne spiller ud i mennesker på samme måde som i mikroorganismer.

Ledet af Miamis Antoni Barrientos og Eva Nývltová påtog Hurricane-Husker-teamet sig den udmattende opgave at slette, én efter én, mere end et dusin gener, der styrer produktionen af ​​proteiner og andre molekyler, der menes at samle enzymet i mennesker. Ved at analysere resultaterne af hver sletning på skift lykkedes det forskerne at identificere de molekylære MVP'er på samlebåndet, karakterisere deres bidrag til denne samling og bestemme deres rækkefølge af operationer med næsten hidtil uset præcision.

Noget af det, de fandt, var i modstrid med den længe accepterede litteratur på området.

"Den måde, hvorpå koncepterne er blevet lagt ud i undersøgelser af bakterier og gær, viser sig ikke at være helt den samme i menneskelige celler," sagde Khalimonchuk om enzymkomponenterne. "Jeg tror, ​​at dette dybest set knuser et årtier gammelt paradigme med hensyn til, hvordan disse faktorer opfører sig."

En af de vigtigste overraskelser kom i form af COX11, et samlingsassisterende protein, der er så kritisk i gær, at uden det, sagde Khalimonchuk, "er de mitokondrier døde i vandet." I humane celler, bekræftede holdet, samarbejder COX11 med andre proteiner for at chaperone kobberatomer på tværs af en celle og putte dem i to kerneunderenheder af cytochrom c-oxidase. Derfra hjælper kobberatomerne med at udløse produktion af energilagrende ATP ved at acceptere elektroner og sende protoner ind i en mitokondrie.

Men da forskerne slog genet, der var ansvarlig for COX11, ud, opdagede de, at de resulterende celler stadig lykkedes med at samle omkring 15 % så mange cytokrom c-oxidaser, som de typisk gør, og opretholde omkring 60 % af deres sædvanlige ATP-produktion. Holdet fastslog senere, at menneskelige celler, der mangler COX11, kan kalde andre proteiner frem, som - på trods af det lavere batting-gennemsnit - effektivt kan knibe-hit for det. Og da holdet manipulerede celler for at udskille mere af det knivskarp protein kendt som PET191, sprang den COX11-løse samling af cytochrom c-oxidaser fra 15 % til 40 %.

"Det løste en gåde, fordi en masse mutationer i samlingsfaktorerne af cytochromoxidase er forbundet med sygdomme hos mennesker," sagde Khalimonchuk. "Der er tonsvis af medfødte sygdomme, men de var aldrig blevet rapporteret med en mutation i COX11 - i modsætning til nogen anden faktor, som vi har beskæftiget os med. Det var så bizart. Men nu forklarer disse data faktisk hvorfor:fordi det er delvist undværligt. ."

Men Khalimonchuk og hans kolleger konkluderede også, at COX11, som forbinder sig med visse proteiner, indtil disse proteiner er klar til at chaperere kobber til enzymets kerneunderenheder, fungerer som en regulatorisk beskyttelse mod den langsigtede opbygning af giftige molekyler. Det er særligt vigtigt, sagde han, i betragtning af den eksplosive cocktail af ilt og elektronrige molekyler, der ofte hvirvler rundt om mitokondrier.

"Du kan tænke på oxidase som en tidsindstillet bombe, fordi du har alle disse ting, der er klar til øjeblikkelig reaktion - at acceptere elektroner, reagere med ilt og så videre," sagde Khalimonchuk. "Så alt skal finjusteres og komme på plads (på det rigtige tidspunkt). Hvis noget ikke er rigtigt - hvis du har en forkert samling, nogle forældreløse underenheder, noget udsat for et miljø, som det ikke burde være - dvs. en virkelig farlig situation. De vil fyre op med det samme, og det har nogle ret skadelige konsekvenser for en celle.

"En del af grunden til, at disse sygdomme menes at være så grimme og drastiske, er på grund af disse egenskaber ved cytochromoxidase."

På den måde vil granskning af detaljerne i cytochrom c-oxidase vise sig at være afgørende for bedre at diagnosticere og i sidste ende behandle de uhyggelige sygdomme, som dens dysfunktion kan forårsage, sagde Khalimonchuk. Et sjældent, men ødelæggende eksempel, Leigh syndrom, rammer nervesystemet hos nyfødte, som generelt ikke overlever mere end et par år.

"Der er et helt spektrum af medfødte sygdomme," sagde Khalimonchuk. "De er alle tidligt opstået, fordi du skal trække vejret (og producere ATP) stort set fra starten. Mitokondrielle sygdomme er generelt grimme, men disse er særligt grimme."

For at forklare værdien af ​​mitokondrier-fokuserede fund, citerede Khalimonchuk nyere forskning, der viser, at administration af ilt til patienter med alvorlige mitokondriesygdomme - en almindelig taktik i skadestuer - faktisk er skadelig.

Det alene repræsenterer fremskridt, sagde Khalimonchuk. Men at flytte fra korrektioner og anbefalinger til potentielt livreddende medicin vil kræve, at biokemikere fortsætter med at finkæmme småt fra instruktionsmanualerne til cytokrom c-oxidase og mitokondriemaskiner som det. Det betyder samarbejde, sagde han, og en vilje til at påtage sig det "lange slag" af det besværlige, men afgørende arbejde.

"Vi håber, at der vil være flere opfølgninger, ikke kun nødvendigvis af os, for endnu bedre at forstå hele denne proces," sagde Khalimonchuk, "og måske finde nogle andre manglende stykker." + Udforsk yderligere

Arkitektur af et bakterielt kraftværk dekrypteret