قياس قدرة استيراد البروتين للميتوكوندريا العضلية الهيكلية

الميتوكوندريا هي عضيات موجودة في مورفولوجيا معقدة في أنواع مختلفة من الخلايا ومن المسلم به أنها تمتلك مجموعة متزايدة من الوظائف التي تعتبر حاسمة للصحة الخلوية. على هذا النحو ، لم يعد من الممكن تقليصها إلى مجرد عضيات منتجة للطاقة. الميتوكوندريا هي منظمات التمثيل الغذائي الرئيسية ، ومحددات مصير الخلية ، ومحاور الإشارات ، والتي يمكن أن تكون وظائفها بمثابة مؤشرات مفيدة للصحة الخلوية العامة. في خلايا العضلات الهيكلية، تكشف دراسات المجهر الإلكتروني عن وجود ميتوكوندريا تحت الساركوليمال (SS) والميتوكوندريا بين العضلات (IMF) المتميزة جغرافيا، والتي تظهر درجة من ^{الاتصال1،2،3،4} والتي من المسلم به الآن أنها ديناميكية للغاية وقابلة للتكيف مع التغيرات في مستويات نشاط العضلات الهيكلية، وكذلك مع التقدم في العمر والمرض. يمكن تقييم محتوى الميتوكوندريا ووظيفتها في العضلات بطرق ^{عديدة5,6} ، وتم تطبيق الطرق التقليدية لعزل العضيات لفهم أفضل للقدرات التنفسية والأنزيمية (Vmax) للميتوكوندريا المتميزة عن تأثير الوسط ^{الخلوي7,8}. على وجه الخصوص ، كشفت هذه الطرق التقليدية عن فروق كيميائية حيوية خفية بين الميتوكوندريا المعزولة من المناطق تحت الساركوليمية وبين الرجفان العضلي ، مما يكذب الآثار الوظيفية المحتملة لعملية التمثيل الغذائي في هذه المناطق تحت ^{الخلوية8،9،10،11}.

التكوين الحيوي للميتوكوندريا فريد من نوعه في طلب مساهمة المنتجات الجينية من كل من الحمض النووي النووي والميتوكوندريا. ومع ذلك ، فإن الغالبية العظمى منها مشتقة من النواة لأن نسخ mtDNA يؤدي فقط إلى تخليق 13 بروتينا. نظرا لأن الميتوكوندريا تتكون عادة من >1000 بروتين مشارك في مسارات استقلابية متنوعة ، فإن التكوين الحيوي للعضية يتطلب وسيلة منظمة بإحكام لاستيراد وتجميع بروتينات السلائف من السيتوسول إلى المقصورات الفرعية المختلفة للميتوكوندريا للحفاظ على قياس الستويشيومتري السليم والوظيفة12,13. عادة ما تحمل البروتينات المشفرة نوويا الموجهة للميتوكوندريا تسلسل استهداف الميتوكوندريا (MTS) الذي يستهدفها إلى العضية ويسهل توطينها دون الجزئي. تحتوي معظم البروتينات المرتبطة بالمصفوفة على MTS طرف N قابل للشق، في حين أن تلك الموجهة إلى غشاء الميتوكوندريا الخارجي أو الداخلي عادة ما يكون لها مجالات استهداف ^{داخلية14}. تتم عملية الاستيراد من خلال مجموعة من القنوات المتنوعة التي توفر طرقا متعددة للدخول إلى ^{العضية13}. ينقل ترانسلوكاس الغشاء الخارجي (TOM) المعقد السلائف من السيتوسول إلى الفضاء بين الغشاء ، حيث يتم التعرف عليها بواسطة ترانسلوكيس مجمع الغشاء الداخلي (TIM). وهذا المجمع مسؤول عن استيراد السلائف المشفرة نوويا إلى المصفوفة، حيث تشق البروتياز التسلسل المسبق للاستهداف الطرفي N. يمكن إدخال البروتينات الموجهة للغشاء الخارجي مباشرة في هذا الغشاء من خلال مجمع TOM ، في حين يتم إدخال البروتينات الموجهة للغشاء الداخلي بواسطة بروتين TIM ، وتحديدا TIM22. بعد استيرادها ، تتم معالجة البروتينات بشكل أكبر بواسطة البروتيازات والمرافقين المقيمين وغالبا ما تتحد لتشكيل مجمعات أكبر ، مثل تلك الموجودة في سلسلة نقل الإلكترونات.

استيراد بروتين الميتوكوندريا نفسه يعمل أيضا كقياس لصحة الميتوكوندريا ، حيث تعتمد هذه العملية على وجود إمكانات الغشاء ومصدر للطاقة في شكل ^ATP15. على سبيل المثال ، عندما يتم تبديد إمكانات الغشاء ، لا يمكن تناول بروتين كيناز PINK1 بواسطة العضية ، وهذا يؤدي إلى إشارات الفسفرة التي تؤدي إلى بداية تدهور العضية من خلال مسار يسمى mitophagy16,17. وفي ظل ظروف مماثلة، عندما يعوق الاستيراد، لا يمكن للبروتين ATF5 أن يدخل العضية، ثم ينتقل بعد ذلك إلى النواة، حيث يعمل كعامل نسخ للتنظيم الأعلى للتعبير الجيني للاستعراض الدوري ^{الشامل18،19}. وبالتالي ، يمكن أن يوفر قياس كفاءة استيراد البروتين نظرة شاملة على صحة العضية ، في حين يمكن استخدام استجابة التعبير الجيني للإشارة إلى درجة الإشارات الرجعية إلى النواة.

على الرغم من أهميته الواضحة للتكوين الحيوي للميتوكوندريا وللصحة الخلوية بشكل عام ، إلا أن مسار الاستيراد في الميتوكوندريا الثديية غير مدروس بشكل ملحوظ. في هذا التقرير، نصف الخطوات المحددة التي ينطوي عليها قياس استيراد بروتينات السلائف إلى الميتوكوندريا العضلية الهيكلية ونقدم بيانات لتوضيح الاستجابة التكيفية لنظام الاستيراد للتغيرات في العضلات وعدم استخدامها، مما يوضح مساهمة استيراد البروتين في اللدونة التكيفية للعضلات الهيكلية.