Исследования клеток пациентов с X-сцепленной центронуклеарной миопатией — редким наследственным заболеванием мышц — пролили свет на нормальный и патологический ответ клетки на голодание. Оказалось, недостаток питания изменяет форму системы внутриклеточных мембран (эндоплазматического ретикулума) и заставляет митохондрии сливаться воедино.
Для нормальной работы клеток требуется бесперебойное поступление энергии. Однако при голодании, когда приток питательных веществ прекращается, метаболизм клетки должен изменяться так, чтобы продолжить поддерживать себя за счет альтернативных механизмов.
Авторы новой статьи в Science выяснили, как именно человеческие клетки приспосабливаются к недостатку питания. Любопытно, что для этого им пришлось рассмотреть редкое генетическое заболевание мышц — X-сцепленную центронуклеарную миопатию (X-linked centronuclear myopathy, XLCNM).
Такая наследственная миопатия, как правило, затрагивает мальчиков. Заболевание вызывают мутации в одном из генов, локализованных на половой хромосоме X. В результате нарушается развитие скелетных мышц, и те становятся настолько слабыми, что ребенку может требоваться вентиляция легких или инвалидная коляска. Заболевшие дети обычно живут не более 10-12 лет, а в самых тяжелых случаях умирают вскоре после рождения.
При X-сцепленной центронуклеарной миопатии возникают мутации в гене, кодирующем липидную фосфатазу MTM1. Это фермент, который отвечает за метаболизм сигнальных липидов эндосом (везикул, участвующих в сортировке и направленном транспорте внутри клетки).
Ранее во время исследований мутантных мышечных клеток человека (полученных от пациентов) были описаны изменения их внутриклеточных мембран — точнее, эндоплазматического ретикулума (ЭПР).
В нормальной клетке ЭПР представляет собой сложную переплетенную сеть из замкнутых мембран — в виде мешков там, где прилегает к ядру или в виде тонких тяжей на периферии. Этот полиморфизм системы внутриклеточных мембран имеет функциональное значение и изменяется при генетическом дефекте.
Дело в том, что мутации сдвигают динамическое равновесие ЭПР в сторону тонких и длинных тяжей. Их становится больше, а мембранные «мешки» в центре клетки выглядят продырявленными. Оказалось, точно такая же перестройка системы ЭПР происходит в клетках с «выключенным» геном MTM1 в условиях голодания.
«Мышцы чрезвычайно чувствительны к голоданию, тогда как их энергетические запасы в скором времени заканчиваются. Именно поэтому мы заподозрили, что дефекты клеток у пациентов с XLCNM могут быть следствием патологического ответа на голодание», — пояснил Волькер Хауке (Volker Haucke).
Авторы новой статьи выяснили, что именно это запускает патологические изменения формы клеток: внешние вытянутые тяжи ЭПР деградируют и превращаются в крупные уплощенные мешки. Следом за ЭПР изменяются митохондрии — органеллы, которые представляют собой «электростанции» клетки. Дело в том, что патологический процесс в соседнем ЭПР заставляет отдельные митохондрии сливаться воедино, образуя огромные «супермитохондрии».
Как ни странно, такие аномальные «сросшиеся» митохондрии гораздо лучше перерабатывают жиры. Однако радоваться этому в случае пациентов с XLCNM (то есть без фермента MTM1) не приходится: эффективная переработка, как и транспорт жиров и подобных им соединений невозможны.
В здоровых клетках при голодании снижается число контактов между ЭПР и эндосомами, из-за чего те меняют форму. Вот только у людей с XLCNM этого не происходит: эндосомы преодолевают «притяжение» ЭПР. Из-за этого мембранные тяжи на периферии клетки становятся более стабильными, в то время как центральная часть ЭПР фенестрируется, то есть становится «дырявой».
Поскольку тяжи внешнего ЭПР участвуют в делении митохондрий (способных, подобно целым клеткам, «делиться надвое»), эти органеллы сильно мельчают. В итоге они гораздо хуже перерабатывают жиры, и вызвано это именно дефицитом MTM1.
«Нам удалось описать совершенно новый механизм того, как различные компартменты (отделенные друг от друга мембраной «отсеки» клетки.— Прим. ред.) взаимодействуют друг с другом так, чтобы клеточный метаболизм подстраивался к режиму поступления пищи», — подытожил Хауке.