Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Т. Дамур
«Мир по Эйнштейну». Глава из книги


Л. Франк
«Мой неповторимый геном». Глава из книги


В. Винниченко
Почему дельфины никогда не спят?



В память о Леониде Вениаминовиче Келдыше (07.04.1931–11.11.2016)


Н. Жизан
«Квантовая случайность». Глава из книги


Интервью с С. Ландо
Сергей Ландо: «Прорывы в математике плохо предсказуемы»


В. Гаврилов
Загадка зарянки


А. Левин
Астрономия темного


В. Мацарский
Бодался Чандра с сэром Артуром


О. Макаров
Секрет разделения







Главная / Новости науки версия для печати

PGC-1α — тренер митохондрий


Спидскейтеры — люди с тренированными митохондриями
Рис. 1. Спидскейтеры — люди с тренированными митохондриями

Наши мышцы обладают удивительной способностью приспосабливаться к интенсивности работы, которую на них возлагают. Канадские ученые сделали очередной шаг в понимании механизма такой адаптации. Теперь мы знаем, что когда мы совершаем легкую утреннюю пробежку или катаемся на коньках, в наших мышцах небольшой белок PGC-1α перемещается из цитоплазмы в митохондрии, активируя гены, необходимые для обеспечения нас энергией.

Гиподинамия — один из факторов риска развития сердечнососудистых заболеваний, диабета 2-го типа, ожирения и гипертонии — заболеваний, которые получили широкое распространение в современном мире. Результаты клинических исследований показывают, что физическая активность (особенно выполнение упражнений на выносливость) снижает риск развития хронических заболеваний и продлевает жизнь. Оказалось, что это связано с балансом энергетического метаболизма. Как известно, за получение энергии в наших клетках отвечают митохондрии. При длительной физической нагрузке в клетках сердечной и скелетных мышц, мозга, печени и жировой ткани увеличивается количество митохондрий. Это хорошо известный феномен, и его молекулярные основы сейчас интенсивно изучаются.

Для создания и работы митохондрии требуется около 1500 различных белков. Хотя эти органеллы и обладают собственным геномом, часть необходимых белков закодирована в ядре. Следовательно, чтобы собрать митохондрию, необходимо координировать экспрессию ядерных и митохондриальных генов.

Регуляция экспрессии генов — работа белков, которые называются факторами транскрипции. Они могут связываться с регуляторными областями генов (промоторами), способствуя посадке на них фермента РНК-полимеразы, которая и синтезирует мРНК, по которой затем будет синтезирован белок.

Факторы транскрипции работают не в одиночку, им нужно множество белков-помощников. Один из них — PGC-1α. Известно, что при выполнении физических упражнений количество этого белка в клетке увеличивается, и он перемещается из цитоплазмы в ядро. PGC-1α запускает экспрессию ряда факторов транскрипции. Затем они активируют гены ядерного и митохондриального генома, необходимые для построения митохондрии.

Недавно выяснилось, что PGC-1α может проникать не только в ядро, но и в митохондрии, где он мог бы участвовать в активации генов митохондриального генома. У митохондрии есть специальный фактор транскрипции — Tfam, который активирует только гены митохондриального генома. До сих пор не известно никаких белков, которые бы помогали ему в этом процессе. Поэтому логично проверить, не окажется ли PGC-1α белком-коактиватором Tfam.

Исследователи из Канады, чья работа опубликована в недавно вышедшем номере Journal of Biological Chemistry, решили изучить роль транспорта PGC-1α в митохондрию при выполнении физической нагрузки.

Исследователи разделили мышей на три группы. Первая была контрольная (SED, от sedentary, «малоподвижный»), мыши из этой группы вели малоподвижный образ жизни — сидели в своих клетках. Мыши из второй (END, от endurance, «выносливость») и третьей (END+3) группы совершали интенсивную физическую работу — бегали по беговой дорожке со скоростью 15 м/мин. в течение 90 минут. К концу этого времени мыши были практически обессилены. Мыши из группы END сразу же отправлялись на экспериментальные процедуры, а мышам из группы END+3 давали перед этим 3 часа, чтобы восстановиться.

Оказалось, что у мышей в группах END и END+3 (то есть после нагрузки) повышена экспрессия митохондриальных и ядерных генов (рис. 2). Среди них были гены различных субъединиц НАДН-дегидрогеназы, цитратсинтазы, цитохрома с, а также некоторые другие. Общее для этих белков — то, что все они обеспечивают получение энергии в митохондриях.

Кроме того, увеличилась экспрессия митохондриального фактора транскрипции Tfam и коактиватора PGC-1α. Таким образом, при увеличении физической нагрузки мышцы стремятся приспособиться к возросшим энергетическим потребностям, увеличив количество ферментов, использующихся при получении энергии.

Рис. 2. Увеличение экспрессии ядерных и митохондриальных генов после физической нагрузки у мышей
Рис. 2. Увеличение экспрессии ядерных и митохондриальных генов после физической нагрузки у мышей. Ядерные гены: PDK4 (киназа пируватдегидрогеназы 4), PGC-1α, Tfam, COX-IV (4-я субъединица цитохром-с оксидазы), CS (цитратсинтаза), ALAS (5-аминолевулинатсинтаза), cyt. с (цитохром-с). Митохондриальные гены: ND1 (1-я субъединица НАДН-дегидрогеназы), ND4 (4-я субъединица НАДН-дегидрогеназы), COX-I (1-я субъединица цитохром-с-оксидазы). Все эти гены так или иначе участвуют в работе митохондрий

Чем обусловлено такое усиление экспрессии? Не может ли в этом процессе принимать участие PGC-1α? Исследовав количество этого белка до (мыши группы SED) и после (мыши группы END и END+3) нагрузки, ученые пришли к выводу, что его количество во время нагрузки не меняется. Это неудивительно, несмотря на то, что количество мРНК для белка увеличилось. Такой механизм, когда мРНК запасается в клетке до определенного момента, хорошо известен.

Значит, если PGC-1α и участвует в изменении экспрессии, то каким-то другим способом. Например, общее количество белка в клетке может не меняться, но он может просто перераспределяться между разными частями клетки. Ранее уже было показано, что PGC-1α обнаруживается в митохондриях, но какую роль он там играет, было неясно.

Поэтому ученые проверили содержание белка в митохондриях и в ядрах у мышей из разных групп (рис. 3). Оказалось, что количество белка в этих органеллах существенно увеличивается сразу после нагрузки (группа END), а также продолжает расти после нее (группа END+3). Следовательно, миграция PGC-1α в ядро и в митохондрии может быть причиной активации генов в ответ на физическую нагрузку.

Однако сам по себе PGC-1α — не фактор транскрипции, а его помощник. Известно, что у митохондрии есть свой собственный фактор транскрипции Tfam. Ученые предположили, что PGC-1α может связываться с Tfam и таким образом участвовать в активации экспрессии генов митохондрии. Оказалось, что в клетках мышей из группы END и END+3 количество белка PGC-1α, взаимодействующего с Tfam, увеличивается. Следовательно, PGC-1α может взаимодействовать с фактором транскрипции Tfam, усиливая его активность.

<b>Рис. 3. Увеличение количества белка PGC-1α в ядре (А) и в митохондриях (В)
Рис. 3. Увеличение количества белка PGC-1α в ядре (А) и в митохондриях (В). На рисунке С показано изменение количества белка PGC-1α, связанного с фактором транскрипции Tfam. Анализ проводили методом вестерн-блоттинга: белки движутся в геле под действием электрического тока и разделяют по размеру. Затем, опять же под действием тока, их переносят на мембрану, получая «отпечаток» геля. После этого мембрану инкубируют с антителами к интересующему белку (в данном случае — с антителами к PGC-1α), к которым пришит фермент (например, пероксидаза). Если на такую мембрану налить субстрат фермента, то начнется химическая реакция, которая протекает с выделением света. Если к мембране приложить фотопленку, то на ней окажутся засвеченными только те участки, где находился белок, ведь фермент связан с антителами к этому белку. Интенсивность засветки пленки пропорциональна количеству белка. Таким образом, на рисунке там, где пятна темнее, белка больше. Чтобы определить количество PGC-1α, связанного с Tfam, к разрушенным митохондриям добавляли антитела против Tfam, которые были прочно связаны с микрогранулами. Затем эти микрогранулы осаждали из раствора (а вместе с ними и Tfam и связанные с ним белки) и с помощью вестерн-блоттинга смотрели, сколько PGC-1α связалось с Tfam в каждом случае

В итоге складывается следующая картина. Когда клетки мышц заняты длительной физической работой, их энергетические потребности увеличиваются. Клетки пытаются приспособиться к новым условиям. Для этого им необходимо увеличить количество митохондрий или количество ферментов, обеспечивающих синтез АТФ в уже существующих митохондриях. Следовательно, необходимо активировать экспрессию генов, причем как в ядре, так и в митохондриях. Поэтому PGC-1α перемещается в ядро и в митохондрии, где помогает факторам транскрипции активировать работу генов. Таким образом, PGC-1α является частью механизма, помогающего мышцам адаптироваться к длительным нагрузкам.

Какова природа сигналов, заставляющих PGC-1α перемещаться в митохондрию и ядро? Ученые предполагают, что это, во-первых, какая-либо модификация белка. Например, фосфорилирование под действием клеточных киназ. Сами эти киназы могут активироваться активными формами кислорода. А, как известно, при интенсивной работе увеличивается скорость дыхания митохондрий, что приводит к увеличению количества активных форм кислорода.

Еще один вопрос связан с механизмом проникновения PGC-1α в митохондрию. Через ее мембраны могут проходить белки, имеющие специальную сигнальную последовательность. В PGC-1α ее обнаружено не было. Однако, возможно, PGC-1α может цепляться к белкам, у которых такой сигнал есть, и таким образом проникать в органеллу.

Все эти вопросы имеют не только чисто научное значение. Сегодня PGC-1α рассматривается как одна из мишеней для лечения заболеваний, связанных с митохондриями. Например, небольшое увеличение экспрессии PGC-1α в мышцах приводит к ослаблению атрофии, облегчает течение мышечной дистрофии Дюшенна, болезни Паркинсона и Хантингтона. Кроме того, PGC-1α способствует сохранению нервно-мышечных синапсов, снижению жировых отложений и воспаления, помогает поддерживать в норме уровень глюкозы и инсулина в крови. Следовательно, нарушение локализации PGC-1α может быть связано со всеми подобными патологиями.

В будущем, когда для лечения болезней будет опробована генная терапия с использованием PGC-1α, возникнет проблема его правильной локализации. И тогда, возможно, именно физические упражнения могут быть единственным и достаточно безопасным способом достигнуть этого эффекта.

Источник: 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.

Дмитрий Кирюхин


Комментарии (2)



Последние новости: Молекулярная биологияГенетикаМедицинаДмитрий Кирюхин

08.12
Европейская мышь и рыжая полевка не обмениваются блохами
05.12
Хищные бактерии помогают иммунной системе справиться с инфекцией
01.12
Иммунный статус макак зависит от социального
24.11
Метаморфоз у личинок червя Hydroides elegans запускается бактериями
23.11
Численность и генетическое разнообразие китовых акул измерили по пробам воды
14.11
Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга
10.11
Нейропротез вернул парализованным макакам-резусам способность ходить
09.11
Разнообразие пищевого поведения у нематоды Caenorhabditis elegans поддерживается балансирующим отбором
03.11
Змеи потеряли ноги из-за выключения гена Sonic hedgehog
01.11
Предки современных шимпанзе и бонобо неоднократно скрещивались друг с другом

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия