Деление митохондрий: механизм и его эволюция.

Митохондрии – своеобразные внутриклеточные энергетические станции. Они осуществляют окисление органических соединений, сопровождающееся синтезом АТФ, который может использоваться на поддержание жизни клетки. Ряд исследований доказывает, что митохондрии являются потомками симбиотических микроорганизмов, вероятно, альфа-протеобактерий, и сейчас такая точка зрения является общепринятой. На это указывает и устройство митохондрий, имеющих две мембраны, подобно грамотрицательным бактериям, и устройство их генома, и наличие рибосом, сходных с бактериальными. Митохондрии начинают делиться после репликации их генома, деление происходит с формированием перетяжки, как и у бактерий. Более 80% генома симбионта перешло в геном клетки-хозяина. Это, в том числе, и гены, регулирующие процесс деления митохондрий и осуществляющие его. В то же время, в ядерном геноме эволюционировали гены, ответственные за контроль деления митохондрий.

Исследовать механизмы деления митохондрий сложно, поэтому этот процесс пока полностью не описан. Это связано, в частности, с тем, что митохондрии, содержатся в клетке в большом количестве, деление обычно происходит несинхронно, а иногда возможно и сливание митохондрий вместе, кроме того, эти органеллы подвижны и могут менять локализацию. Вероятно, система регуляции деления митохондрий со стороны клетки хозяина возникла на основе уже существовавшей к тому моменту системы деления везикул, а из неё позже, когда в клетку проникли цианобактерии, фотосинтетические симбионты, ставшие впоследствии пластидами, сформировалась система, участвующая в их делении. Таким образом, для взаимодействия с неродственными симбионтами клетка смогла адаптировать один и тот же механизм. Система, осуществляющая деление митохондрий более хрупкая, чем родственная ей система деления пластид, её сложнее выделить из клетки для изучения, и это ещё одна причина, по которой количество сведений о ней остаётся ограниченным.

В качестве модельных объектов для изучения деления митохондрий использовались одноклеточные красные водоросли из горячих источников. Эти организмы имеют всего одну, очень крупную митохондрию простой формы, сто облегчает наблюдение за процессом её деления. Всего в делении митохондрий задействовано 30-40 белков, однако не все они описаны. При исследований водорослей был обнаружен белок FtsZ, принадлежащий к семейству бактериальных белков, участвующих в делении клетки. Большая часть белков этой системы у митохондрий потеряна, как и когда это происходило уже не установить. FtsZ в митохондриях начинает формировать кольца незадолго до разделения генетического материала. Они располагаются на внутренней стороне мембраны, в матриксе митохондрий и включают различные белки, помимо FtsZ. Сокращаясь, кольца приводят к разделению органеллы на две дочерних. Для осуществления функции FtsZ необходима энергия ГТФ. По структуре этот белок напоминает тубулин.

Помимо внутреннего кольца, формирующего перетяжку, в этот процесс вовлечены внешние кольца. Они строятся за счёт белков, синтезируемых клеткой-хозяином. Одним из наиболее изученных компонентов внешнего кольца являются белки семейства динаминов. Семейство динаминов объединяет белки, взаимодействующие с микротрубочками. Они участвуют в эндоцитозе, формировании везикул, транспорте и взаимодействии органелл. В начале деления динамин окружает наружное кольцо, которое выстраивается из различных белков в месте формирования перетяжки. В фазе разделения динамин проходит через это кольцо к мембране митохондрии. Он обеспечивает сокращение кольца и разделение органелл. Всего в став колец входит 30-40 различных белков, часть белков вовлечено во взаимодействие между внешним и внутренним кольцами. При завершении деления внутренние кольца разбираются, в отличие от внешних колец, которые сохраняются после разделения дочерних митохондрий.

Дефекты как  ftsZ, так и динамина приводят к нарушениям расхождения митохондрий у одноклеточных красных водорослей. Однако ген FtsZ был потерян в ходе эволюции, его нет уже у ряда простейших, а также у грибов, высших растений и животных. Эта последовательность не переместилась в ядро, а была полностью утрачена и выполнение функции FtsZ взяли на себя белки хозяина, в том числе, динамин, который у человека описан под названием Drp1. Однако, в некоторых клетках человеческого организма деление митохондрий, по-видимому, не зависит от Drp1 и осуществляется с участием каких-то других молекул.

Исследования Drp1 и его связи с процессами деления митохондрий установили несколько интересных фактов. Содержание белка Drp1 повышено в мозге больных хореей Хантигнтона, деление митохондрий активируется при этом заболевании. Сходная картина наблюдается и при болезни Альцгеймера, когда активность Drp1 повышена. Пока ещё не ясны все причинно-следственные связи и вклад интенсивного деления митохондрий в патологические изменения работы нервной системы при этих заболеваниях, так что нельзя сказать, что, воздействуя на деление митохондрий можно влиять на развитие болезни. С другой стороны, ингибиторы этого процесса уже найдены, и, возможно, накопление знаний о патогенезе этих заболеваний приведёт к тому, что они станут компонентами лекарственных средств нового поколения.