Výzkumníci ze Salkova institutu odhalili molekulární mechanismy, které stojí za fragmentací a opětovným sestavováním mitochondrií, buněčným mechanismem, který udržuje zdravou hladinu energie a chrání buňky před poruchami. Tato zjištění mohou mít význam pro poruchy, jako je mitochondriální onemocnění, cukrovka, rakovina a neurodegenerativní onemocnění spojená s nefunkčními mitochondriemi.
Když jsou mitochondrie vystaveny poškození v podobě environmentálního stresu, toxinů nebo genetických mutací, buňka mitochondrie rozebere, odstraní poškozené části a mitochondrie znovu sestaví. Tento proces probíhá v nízké míře i za normálních podmínek, kdy se v každém okamžiku rozdělí a znovu složí jedna nebo dvě ze 100-500 mitochondrií buňky, aby nahradily poškozené části. Když buňky zažívají stres, například při vystavení jedům, dochází k hromadné fragmentaci.
Vědci o tomto pozoruhodném procesu, který umožňuje určitou míru opravy poškozených buněk, vědí již dlouho. Nechápali však, jakým způsobem je poškození mitochondrií vnímáno a jaké mechanismy vyvolávají hromadnou fragmentaci.
Tým vedený doktorem Reubenem Shawem pozoroval, že když jsou buňky vystaveny poškození mitochondrií, enzym AMPK vyšle signál, který dává mitochondriím pokyn k rozpadu.
AMPK, který lze považovat za indikátor buněčného paliva, je aktivován lékem na cukrovku metforminem. Je také známo, že cvičení a omezená strava aktivují tento enzym, což naznačuje, že tyto terapie alespoň částečně fungují tak, že podporují zdraví mitochondrií.
Dřívější výzkum ukázal, že AMPK pomáhá recyklovat poškozené části mitochondrií a signalizuje buňce, kdy má vytvořit nové mitochondrie.
Výzkumný tým pomocí techniky editace genů CRISPR odstranil gen kódující AMPK a zkoumal jeho biologický význam. Když buňky vystavili toxinům nebo jiným druhům stresu, mitochondrie se nefragmentovaly, což naznačuje, že AMPK fragmentaci přímo vyvolává.
Výzkumníci pak signalizaci AMPK opět zapnuli a ke svému překvapení zjistili, že signalizace AMPK stačí k tomu, aby se mitochondrie fragmentovaly i bez předchozího poškození.
„Nemohl jsem uvěřit, jak černobílé výsledky to byly. Pouhé zapnutí AMPK samo o sobě způsobí stejnou fragmentaci jako mitochondriální jed,“ uvedl Dr. Shaw v tiskové zprávě.
Salkův tým pozoroval, že při narušení mitochondrií klesá množství energetických balíčků (tzv. ATP) poletujících v buňce. AMPK rychle detekuje toto snížení buněčné energie a aktivuje receptor na vnější membráně mitochondrie, který jí řekne, aby se fragmentovala.
Tým dále zjistil, že AMPK spouští tento proces působením na dvě oblasti mitochondriálního receptoru, který se nazývá mitochondriální štěpný faktor (MFF). MFF přivolá protein – Drp1 – který se naváže a obtočí kolem mitochondrie, aby ji rozložil.
Výzkumníci se nyní zajímají o zkoumání dalších důsledků, které by tato signální dráha mohla mít. „Na jedné straně je známo, že AMPK je důležitá pro diabetes 2. typu, imunitní onemocnění a rakovinu. Na druhé straně je mitochondriální dysfunkce stále více spojována s metabolickými chorobami a neurodegenerativními onemocněními. Děláme jedny z prvních kroků k propojení těchto dvou věcí, které mají závažné důsledky pro onemocnění,“ uzavřela spoluautorka studie Dr. Erin Quan Toyama.
Studie s názvem „AMP-activated protein kinase mediates mitochondrial fission in response to energy stress“ byla publikována v časopise Science dne 15. ledna 2016.