מדידה של קיבולת ייבוא חלבון של המיטוכונדריה שריר השלד

המיטוכונדריה הם אברונים הקיימים במורפולוגיות מורכבות בסוגי תאים שונים ומוכרים כבעלי מערך הולך וגדל של פונקציות קריטיות לבריאות התא. ככאלה, הם כבר לא יכולים להיות מגולפים רק לאברונים המייצרים אנרגיה. המיטוכונדריה הם רגולטורים מטבוליים מרכזיים, דטרמיננטים של גורל התא, ורכזות איתות, הפונקציות של אשר יכול לשמש אינדיקטורים שימושיים של בריאות הסלולר הכללית. בתאי שריר השלד, מחקרי מיקרוסקופיה אלקטרונים חושפים את נוכחותם של תת-עכבישים מובהקים מבחינה גיאוגרפית (SS) ומיטוכונדריה בין-מיומיופיברילר (IMF), המציגים מידה מסוימת של קישוריות1,2,3,3,4 המוכרת כיום כדינמית מאוד ומסתגלת לשינויים ברמות פעילות שרירי השלד, כמו גם עם גיל ומחלות. תוכן מיטוכונדריאלי ותפקוד בשרירים ניתן להעריך בדרכים ^רבות5,6, ושיטות מסורתיות של בידוד אברונים הוחלו כדי להבין טוב יותר את היכולות הנשימתיות והאנזימטיות (Vmax) של המיטוכונדריה השונה מהשפעת המילייה ^התאי7,8. בפרט, שיטות מסורתיות אלה חשפו הבחנות ביוכימיות עדינות בין המיטוכונדריה המבודדת מאזורים תת-קרקעיים ואינטרמיופיברילרים, תוך הסתמכות על השלכות תפקודיות אפשריות על חילוף החומרים באזורים תת-תאיים אלה8,9,10,10,11.

הביוגנזה של המיטוכונדריה ייחודית בדרישה לתרומתם של מוצרי גנים הן מהדנ”א הגרעיני והן מהדנ”א המיטוכונדריאלי. עם זאת, הרוב המכריע של אלה נגזרים מהגרעין מאז שעתוק mtDNA רק מוביל לסינתזה של 13 חלבונים. מאז המיטוכונדריה בדרך כלל מורכבים >1000 חלבונים המעורבים במסלולים מטבוליים מגוונים, biogenesis של האברונית דורש אמצעי מוסדר היטב של ייבוא והרכבה של חלבונים מבשר מן הציטוסול לתוך תת-תאים מיטוכונדריאליים שונים כדי לשמור על stoichiometry תקין ^{ותפקוד12,13}. חלבונים המקודדים בגרעין המיועדים למיטוכונדריה נושאים בדרך כלל רצף מיקוד מיטוכונדריאלי (MTS) המכוון אותם לאברון ומאפשר את הלוקליזציה התת-מידורית שלהם. רוב החלבונים הקשורים למטריקס מכילים MTS N-terminal ניתן לסדוק, ואילו אלה המיועדים לקרום המיטוכונדריאלי החיצוני או הפנימי בדרך כלל יש תחומי מיקוד ^{פנימיים14}. תהליך הייבוא מתבצע על ידי קבוצה של ערוצים מגוונים המספקים אפיקים מרובים לכניסה ^{לאברוגל13}. הטרנסלוקאז של הממברנה החיצונית (TOM) מבשרי מבשרי מבשרי מהציטוסול לחלל הבין-קרקעי, שם הם מוכרים על ידי הטרנסלוקאז של קומפלקס הממברנה הפנימית (TIM). קומפלקס זה אחראי לייבוא מבשרי המקודדים בגרעין לתוך המטריצה, שם פרוטאזים מבקעים את מסוף N-terminal מיקוד presequence. חלבונים המיועדים לקרום החיצוני ניתן להכניס ישירות לתוך קרום זה דרך קומפלקס TOM, בעוד אלה המיועדים הממברנה הפנימית מוכנסים על ידי חלבון TIM, במיוחד TIM22. לאחר היבוא שלהם, חלבונים מעובדים עוד יותר על ידי פרוטאזים מקומיים ומלווים ולעתים קרובות לשלב כדי ליצור מתחמים גדולים יותר, כגון אלה שנמצאו בשרשרת הובלת האלקטרונים.

ייבוא חלבון מיטוכונדריאלי עצמו משמש גם כמדידה של בריאות המיטוכונדריה, שכן תהליך זה מסתמך על נוכחות של פוטנציאל ממברנה ומקור אנרגיה בצורה של ^ATP15. לדוגמה, כאשר פוטנציאל הממברנה מתפוגג, חלבון קינאז PINK1 לא יכול להילקח על ידי האברונית, וזה מוביל לאותות זרחן המפעילים את הופעת השפלה של האברונית דרך מסלול שנקרא mitophagy16,17. בנסיבות דומות, כאשר הייבוא מונע, החלבון ATF5 אינו יכול להיכנס לאברוגל, ולאחר מכן הוא עובר לגרעין, שם הוא משמש כגורם שעתוק לרגולציה של ביטוי הגנים ^UPR18,19. לפיכך, מדידת יעילות יבוא החלבון יכולה לספק תובנה מקיפה על בריאות האברונים, בעוד שניתן להשתמש בתגובת ביטוי הגנים כדי לציין את מידת האיתות המדרדר לגרעין.

למרות חשיבותו הברורה לביוגנזה של המיטוכונדריה ולבריאות התאים בכלל, מסלול היבוא במיטוכונדריה היונקים אינו מוערך להפליא. בדו”ח זה אנו מתארים את הצעדים הספציפיים הכרוכים במדידת ייבוא חלבונים מבשרים למיטוכונדריה של שרירי השלד ומספקים נתונים הממחישים את התגובה האדפטיבית של מערכת היבוא לשינויים בשרירים ובשימוש לרעה, הממחישים את תרומתו של יבוא החלבון לפלסטיות האדפטיבית של שרירי השלד.