Перед лабораторной группой стояла задача по крупицам определить, как митохондрии — электростанции клеток — генерируют энергию, необходимую для поддержания жизни. То, что обнаружил Крейн, соединение под названием коэнзим Q, было недостающей частью головоломки и стало важной частью наследия митохондриальных исследований в UW-Madison. Но это было не случайно.«Это было результатом долгой серии исследований механизма и соединений, участвующих в преобразовании биологической энергии», — написал Крейн в обзорной статье о своем открытии в 2007 году.
Спустя почти шесть десятилетий этот «длинный поезд» стал еще длиннее. Дэйв Паглиарини, доцент кафедры биохимии Университета штата Вашингтон в Мэдисоне, основал новую лабораторию, изучающую эти динамические органеллы — митохондрии. Недавно он опубликовал два исследования, проливающих больше света на кофермент Q и то, как он производится, одно в Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) в октябре, а другое сегодня в Molecular Cell.«Митохондрии — это крошечные структуры почти во всех наших клетках, которые необходимы для производства нашей клеточной энергии и содержат широкий спектр метаболических процессов», — говорит Паглиарини. «Когда митохондрии не работают должным образом, у человека может возникнуть множество различных заболеваний».
К ним относятся мозжечковая атаксия, некоторые заболевания почек и тяжелые мультисистемные заболевания с детским началом. Дефицит коэнзима Q является признаком этих заболеваний, но ученые не уверены, почему.«Спустя почти 60 лет мы все еще многого не знаем о том, как митохондрии производят кофермент Q, и это усложняет нашу способность терапевтически воздействовать на этот путь», — говорит Паглиарини.По его словам, новые исследования касаются двух белков, которые, как известно, играют важную роль в пути производства кофермента Q. Мутации в них приводят к болезням человека.
Но раньше никто ничего не знал об их биохимических функциях.Одним из этих белков является COQ9, и аспирантка Даниэль Ломан, со-руководитель исследования PNAS, объясняет, что он каким-то образом участвует в выработке кофермента Q в митохондриях. Другой ведущий автор — Фархад Фороухар из Колумбийского университета.
Исследовательская группа, в которую входят исследователи из UW-Madison и других университетов США и Испании, обнаружила, что COQ9 необходим для производства коэнзима Q у мышей. Чтобы изучить, как это выглядит, они создали кристаллы COQ9 в лаборатории и обнаружили, что он связывается с такими соединениями, как коэнзим Q.Команда также обнаружила, что COQ9 взаимодействует с другим белком, называемым COQ7, подтверждая преобладающее в данной области представление о том, что кофермент Q образуется в результате действия комплекса белков.
В настоящее время Паглиарини и Ломан полагают, что COQ9 может захватить незрелый кофермент Q и помочь ему в его развитии, но для этого требуется дополнительная работа. Текущее исследование дает им возможность начать.«Мы перешли от незнания, зачем нужен этот белок для производства кофермента Q, к моделированию того, что он может делать», — говорит Ломан.Два других аспиранта в лаборатории Паглиарини, Джонатан Стефели и Эндрю Рейденбах, работали вместе, чтобы возглавить исследование молекулярных клеток митохондриального белка человека, также участвующего в создании кофермента Q, называемого ADCK3.
«Как и в случае с COQ9, есть пациенты с мутациями в ADCK3, у которых действительно тяжелая мозжечковая атаксия, описанная в медицинской литературе не так давно», — говорит Стефели.Также как и COQ9, биохимическая функция ADCK3 ранее была неизвестна. Исследовательская группа из UW-Madison, Университета Джорджии и Университета Сан-Диего аналогичным образом создала кристалл белка и определила семейство белков, с которым он связан: суперсемейство киназ. Крейг Бингман, научный сотрудник UW-Madison, выполнил сложную работу с кристаллами.
Решение кристаллической структуры выявило генеалогию белка, а также предоставило исследователям информацию, которая может иметь последствия для рака и других клеточных процессов, которые могут зависеть от действия этого белка и его близких родственников. Он предоставляет платформу для дальнейших открытий.
«У него есть некоторые очень специфические и уникальные особенности, которые отделяют его от остальной части этого суперсемейства киназ», — говорит Рейденбах.«Мы также смогли продемонстрировать первую ферментативную активность ADCK3, что стало важной вехой в этой области», — добавляет Стефели.Об этих митохондриальных белках и многих других многое еще неизвестно.
По словам Пальярини, они представляют собой неиспользованный ресурс, но поиск ответов происходит прямо здесь, где впервые был обнаружен коэнзим Q.В своей лаборатории Паглиарини пытается описать сотни митохондриальных белков, функции которых пока неизвестны. Вместе с коллегами он собрал их коллекцию в инвентаре, который они назвали MitoCarta.«Я наткнулся на митохондриальную биологию в начале своей дипломной работы и потратил годы после докторантуры, систематически выявляя новые митохондриальные белки», — говорит Паглиарини. «Теперь я очень заинтересован в аннотировании функций этих« сиротских »белков».
Для Пальярини и его студентов — будущего митохондриальных исследований UW-Madison — старая, но все еще широко открытая область исследований предлагает множество возможностей для любопытства и многообещающих.«Это вызывает чувство удивления; для меня, как и для всех ученых, я просто хочу знать, как все работает», — говорит Ломан. «Это было похоже на созревшие фрукты для сбора».