CC BY
79
Вехи мировой науки о живом
Митохондриология и энергоснабжение клетки
Одним из важнейших направлений современной биохимии является детализация механизмов энергоснабжения клетки. Митохондрии давно признаны в качестве «электростанций» клетки. В 1961 году в журнале Nature Питером Митчеллом, будущим лауреатом Нобелевской премии, была опубликована революционная статья [1], заложившая основы хемиосмотической теории. Согласно этой теории, электрохимический потенциал протонов (Дцн+) играет важнейшую роль в производстве энергии митохондриями. В процессе дыхания происходит перенос протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство с образованием потенциала на их внутренней мембране. Именно этот, генерируемый дыханием, Дцн+ используется Н+-АТР-синтазой для превращения ADP в АТР. Митчелл предположил также, что разобщающие агенты типа динитрофенола, подавляющие синтез АТР, не являются ингибиторами АТР-синтазы, а их действие должно быть обусловлено рассеиванием мембранного потенциала — движущей силой синтеза АТР. В то время подобная трактовка событий была революционной. Она вызвала огромный интерес со стороны ведущих ученых, многие из которых выражали скептическое отношение и предлагали свои гипотезы синтеза АТР митохондриями. Большой вклад в развитие современной митохондриологии был сделан крупнейшим отечественным биохимиком В.П. Скулачевым. Сегодня редакция журнала решила посвятить раздел «Форум» краткому описанию основных вех развития этой увлекательной области.
В 1965 году Владимиром Петровичем Скулачевым был создан первый в мире отдел биоэнергетики в составе организованной А.Н. Белозерским Межфакультетской лаборатории молекулярной биологии и биоорганической химии МГУ (ныне НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского). В эти годы в рамках хемиосмотической теории было начато изучение сопрягающей роли протонного потенциала в окислительном фосфорилировании. В 1967 году В.П. Скулачевым совместно с Е.А. Либерманом было получено одно из первых экспериментальных доказательств теории Митчелла [2]. Используя различные протонофоры, они обнаружили корреляцию между стимуляцией дыхания митохондрий, окисляющих сукцинат, и протон-
ной проводимостью двухслойной липидной мембраны. Для выяснения молекулярных механизмов, связывающих окислительное фосфорилирование с мембранным потенциалом митохондрий, была предпринята попытка найти ионы, способные проходить как через митохондриаль-ную, так и через искусственные двухслойные плоские липидные мембраны. Такие органические ионы были найдены - наиболее эффективными оказались катион тетрафенилфосфоний (ТРР+) и тетрафенилборат-анион (ТРВ-), отличающиеся центральным атомом, положительно заряженным в ТРР+ и отрицательно - в ТРВ-. Использование этих соединений позволило показать, что митохондрии, энергизованные АТР или в результате окисления субстратов, способны аккумулиро-
вать катионы, а субмитохондри-альные частицы - анионы [3]. Помимо важности результатов, полученных в этой работе, в научную литературу был впервые введен термин «протонофор», который с успехом используется по настоящее время. Эта публикация была воспринята научным сообществом с огромным интересом, и в признание ее важности разработанные ионы с легкой руки известного американского биохимика профессора Дэвида Грина были названы «ионами Скулачева» и Sk-, катионы и анионы соответственно) [4]. За эту работу В.П. Скулачеву в 1975 году была присуждена Государственная премия СССР.
В 90-е годы прошлого столетия в серии статей Х. Ванг [5-7] показал, что митохондрии участвуют в механизме запуска апоп-
тоза - программируемой гибели клеток, играющей важную роль в развитии организма и патологии при многих заболеваниях. Было установлено, что цитохром с, ключевая молекула дыхательной цепи, при определенных условиях может выйти из митохондрий и в цитозоле, объединившись с другими молекулами в апопто-сомный комплекс, запустить один из механизмов апоптоза. Задолго до публикации работ Ванга при попытке поиска механизмов массовой гибели клеток под действием ионизирующей радиации было установлено подавление окислительного фосфорилирова-ния в митохондриях, выделенных из радиочувствительных тканей (тимус и селезенка), которое, однако, отсутствовало в митохондриях, выделенных из радиорезистентных тканей печени [8, 9]. Подобные изменения окислительного фосфорилирования регистрировались уже через 30-60 мин после общего рентгеновского облучения крыс в относительно низких дозах (50-100 сГр) [10]. В радиочувствительных тканях подавление окислительного фос-форилирования коррелировало с образованием так называемых пикнотических ядер [11]. Более того, митохондрии, выделенные из радиочувствительных тканей после облучения, содержали меньшее количество цитохрома с по сравнению с митохондриями радиорезистентных тканей [12]. Впоследствии оказалось, что радиационное поражение приводит к ослаблению связывания ци-тохрома с с внутренней мембраной митохондрий, а добавление экзогенного цитохрома с может стимулировать окислительное фосфорилирование в митохондриях, выделенных из радиочувствительных тканей облученных крыс [9, 13]. Механизм данного феномена был установлен лишь в 2005 году [14]. Необходимо отме-
тить, что исследования механизмов радиационно-индуцированной гибели клеток очень активно велись в Советском Союзе. Именно отечественными учеными было постулировано и доказано, что радиационная гибель лимфоидных клеток является примером более широкого биологического феномена - программируемой гибели клеток [15, 16], что было признано мировой общественностью [17].
Одновременно с работами Ванга Г. Кремер показал, что падение мембранного потенциала митохондрий является одним из ведущих событий, запускающих гибель клеток [18]. В.П. Скулачев заинтересовался этим феноменом, подойдя к нему с совершенно неожиданной стороны, - он попытался найти связь между программируемой гибелью клеток и старением. Еще в конце 19 века А. Вейсманн высказал гипотезу, что в основе смерти, вызванной старением, лежит развитый в процессе эволюции адаптивный механизм [19]. Основываясь на данной гипотезе, Владимир Петрович предположил, что альтруистская смерть индивидуумов, являясь механизмом адаптации, может быть полезна для других групп организмов в окружающей среде. Он впервые ввел термин «феноптоз» и объяснил его как механизм очистки сообщества от нежелательных элементов [20]. Наипростейший пример феноптоза может наблюдаться у бактерий. У этих организмов альтруистская программируемая гибель необходима для: (а) предотвращения расширения инфицирования фагами популяции бактерий; (б) очистки популяции от клеток, геном которых или другие ключевые системы повреждены; (в) оптимизации числа бактериальных клеток в среде [21]. Впоследствии феномен фе-ноптоза описали у дрожжей, у которых феромон-зависимая гибель подавлялась ингибиторами син-
теза белков и была признана программируемой [22]. Примеры фе-ноптоза описаны и у некоторых высших организмов [21, 23], однако молекулярные механизмы, запускающие данный феномен, пока остаются неизвестными.
В эволюции постоянно репродуцирующихся организмов процесс старения должен быть более важным, чем «острый» феноптоз, так как функция зависимого от старения феноптоза заключается в снижении числа особей в популяции долгоживущих предшественников, стимулируя таким образом эволюцию. Другими словами, медленно развивающийся феноптоз усиливает данный процесс [24]. Что же может регулировать процесс зависимого от старения феноптоза? В.П. Скулачев предположил, что в основе данного механизма может лежать укорачивание теломер (подобный механизм был предсказан много лет назад отечественным ученым А.М. Оловниковым [25]). К сожалению, остается неизвестным, определяет ли укорачивание теломер продолжительность жизни всего многоклеточного организма или же это относится лишь к его определенным клеточным системам.
В последние годы опубликовано несколько принципиальных наблюдений, пытающихся на молекулярном уровне найти связь между старением и гибелью организма. Так, было показано, что продолжительность жизни животных, экспрессиру-ющих и не экспрессирующих белок p66shc, принимающий участие в регуляции уровня активных форм кислорода, различается на 30% [26]. Кроме того, хотя у му-тантных мышей с повышенной активностью опухолевого супрес-сора р53 не наблюдается развитие опухолей, продолжительность их жизни короче, чем у мышей дикого типа [27]. Оба описанных белка активно участвуют в регуляции
ТОМ 7 № 1 (24) 2015 | ACTA NATURAE | 7
апоптоза. Принимая во внимание эти наблюдения, В.П. Скулачев предположил, что продолжительность жизни можно будет регулировать согласованной активацией р53 и подавлением белка р668Ьс. Будущее покажет, насколько возможно будет воспроизвести данное вполне логичное предположение в реальной жизни [23].
Накапливающиеся данные о механизмах программируемой гибели клеток и феномена фе-ноптоза позволили Владимиру Петровичу высказать идею о «Правиле самураев» в биологии. Коротко это правило можно сформулировать так - «Лучше погибнуть, чем ошибиться». В одной из своих замечательных работ он
написал: «Любые биологические системы, начиная от органелл и кончая целым организмом, обладают программой самоуничтожения. Этот суицидный механизм активируется, когда система оказывается опасной для сосуществования с другими системами в биологической иерархии» [21].
Развитие науки дает интересные примеры междисциплинарных пионерских прорывов, обеспеченных усилиями ученых разных стран, зачастую узнавших друг друга уже после публикаций их собственных приоритетных статей. История, рассказанная сегодня, является ярким примером этого. Владимир Петрович Скулачев познакомился с Питером
Митчеллом лишь в 1966 году на Конгрессе FEBS в Варшаве. Затем их связывала многолетняя дружба и общая любовь к мито-хондриологии. Эта область знания еще далеко не исчерпана, и особенно приятно, что у ее истоков были отечественные ученые. •
Б.Д. Животовский1,2, В.Г. Гогвадзе12, В.А. Ткачук1
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной медицины, Москва, Россия 2Институт медицины окружающей среды, Каролинский институт, Стокгольм, Швеция
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mitchell P. // Nature. 1961. V. 191. P. 144-148.
2. Skulachev V.P., Sharaf A.A., Liberman E.A. // Nature. 1967. V. 216. № 5116. P. 718-719.
3. Liberman E.A., Topaly V.P., Tsofina L.M., Jasaitis A.A., Skulachev V.P. // Nature. 1969. V. 222. № 5198. P. 1076-1078.
4. Green D.E. // Biochim. Biophys. Acta. 1974. V. 346. № 1. P. 27-78.
5. Liu X., Kim C.N., Yang J., Jemmerson R., Wang X. // Cell. 1996. V. 86. № 1. P. 147-157.
6. Zou H., Henzel W.J., Liu X., Lutschg A., Wang X. // Cell. 1997. V. 90. № 3. P. 405-413.
7. Li P., Nijhawan D., Budihardjo I., Srinivasula S.M., Ahmad M., Alnemri E.S., Wang X. // Cell. 1997. V. 91. № 4. P. 479-489.
8. Ashwell G., Hickman J. // Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 1952. V. 80. № 3. P. 407-410.
9. Khanson K.P., Ivanova L.V. // Vopr. Med. Khim. 1969. V. 15. № 1. P. 64-66.
10. van Bekkum D.W. // Biochim. Biophys. Acta. 1957. V. 25. № 3. P. 487-492.
11. van Bekkum D.W., de Vries M.J., Klouwen H.M. // Int. J. Radiat. Biol. Relat. Stud. Phys. Chem. Med. 1965. V. 9. № 5. P. 449-459.
12. Scaife J.F. // Can. J. Biochem. 1964. V. 42. P. 431-434.
13. Manoilov S.E., Khanson K.P. // Vopr. Med. Khim. 1964. V. 10. P. 410-413.
14. Kuwana T., Bouchier-Hayes L., Chipuk J.E., Bonzon C., Sullivan B.A., Green D.R., Newmeyer D.D. // Mol. Cell. 2005. V. 17.
№ 4. P. 525-535.
15. Khanson K.P. // Radiobiologia. 1979. V. 19. № 6. P. 814-820.
16. Umansky S.R. // J. Theor. Biol. 1982. V. 97. № 4. P. 591-602.
17. Wyllie A.H. // ISI Atlas of Science: Immunology. 1988. V. 1. P. 192-196.
18. Zamzami N., Marchetti P., Castedo M., Zanin C., Vayssiere J.L., Petit P.X., Kroemer G. // J. Exp. Med. 1995. V. 181. № 5. P. 1661-1672.
19. Weismann A., Wenderoth M., Lounis S., Zahn P., Quaas N., Ulbrich R.G., Dederichs P.H., Blugel S. // Science. 2009. V. 323. № 5918. P. 1190-1193.
20. Skulachev V.P. // Biochemistry (Moscow). 1997. V. 62. № 11. P. 1191-1195.
21. Skulachev V.P. // Exp. Gerontol. 2001. V. 36. № 7. P. 995-1024.
22. Severin F.F., Hyman A.A. // Curr. Biol. 2002. V. 12. № 7. P. R233-235.
23. Skulachev V.P. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2002. V. 959. P. 214-237.
24. Skulachev M.V., Severin F.F., Skulachev V.P. // Biochemistry (Moscow). 2014. V. 79. № 10. P. 994-1003.
25. Olovnikov A.M. // J. Theor. Biol. 1973. V. 41. № 1. P. 181-190.
26. Migliaccio E., Giorgio M., Mele S., Pelicci G., Reboldi P., Pan-dolfi P.P., Lanfrancone L., Pelicci P.G. // Nature. 1999. V. 402. № 6759. P. 309-313.
27. Tyner S.D., Venkatachalam S., Choi J., Jones S., Ghebranious N., Igelmann H., Lu X., Soron G., Cooper B., Brayton C., et al. // Nature. 2002. V. 415. № 6867. P. 45-53.
