Митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки, поскольку они вырабатывают значительную часть энергии, необходимой организму для роста, движения, восстановления тканей и повседневной работы. Однако их активность не остаётся постоянной. Митохондрии непрерывно подстраивают свою работу в зависимости от потребностей клетки в энергии и доступных питательных веществ.
Учёные давно установили, что питание влияет на этот процесс. Но до последнего времени было неясно, каким именно образом отдельные нутриенты подают сигналы, меняющие активность митохондрий. Исследовательская группа под руководством профессора Торстена Хоппе из Института генетики и кластера передового опыта CECAD по изучению старения Кёльнского университета выявила новый механизм, связанный с аминокислотой лейцином. Результаты показывают, что лейцин помогает стабилизировать важные белки в митохондриях, позволяя этим органеллам производить энергию более эффективно.
Лейцин относится к незаменимым аминокислотам: организм человека не способен синтезировать его в достаточном количестве и должен получать с пищей. Аминокислоты служат строительными блоками для белков, а лейцин в большом количестве содержится в продуктах, богатых белком, таких как молочные продукты, мясо, бобы и чечевица. Исследователи обнаружили, что лейцин не только участвует в производстве белков. Он также препятствует разрушению некоторых белков, расположенных на внешней поверхности митохондрий.
Эти белки играют важную роль в метаболизме: они помогают переносить другие молекулы внутрь митохондрий, где те используются в энергетической системе клетки. Когда лейцин способствует сохранению таких белков, митохондрии работают эффективнее и вырабатывают больше энергии. «Мы были очень рады обнаружить, что питательный статус клетки, особенно уровень лейцина, напрямую влияет на производство энергии, — заявил первый автор исследования доктор Цяочу Ли. — Этот механизм позволяет клеткам быстро адаптироваться к повышенным энергетическим запросам в периоды изобилия питательных веществ».
Команда связала этот эффект с белком SEL1L, участвующим в клеточном контроле качества. Клетки постоянно проверяют свои белки, поскольку повреждённые или неправильно свёрнутые молекулы могут нарушать нормальную работу. SEL1L помогает выявлять белки, подлежащие удалению, и направляет их на разрушение. По данным исследователей, лейцин, по-видимому, снижает активность SEL1L. Это означает, что меньше митохондриальных белков подвергается разложению, и большее их число остаётся на месте, поддерживая функцию митохондрий.
«Модуляция уровней лейцина и SEL1L могла бы стать стратегией для усиления производства энергии, — добавил Ли. — Однако важно действовать осторожно. SEL1L также играет ключевую роль в предотвращении накопления повреждённых белков, что необходимо для долгосрочного здоровья клетки». Это предостережение существенно, поскольку рост выработки энергии не всегда полезен. Те же клеточные системы, которые сохраняют нужные белки, помогают и удалять дефектные, поэтому изменение баланса может иметь непредвиденные последствия.
Чтобы изучить более широкие эффекты метаболизма лейцина, исследователи также работали с Caenorhabditis elegans — крошечной круглой червью, часто используемой в биологии, поскольку многие её клеточные процессы сходны с процессами более сложных организмов. У червей нарушения расщепления лейцина нарушали работу митохондрий и были связаны с проблемами фертильности. Учёные также исследовали клетки рака лёгкого человека и обнаружили, что некоторые мутации, затрагивающие метаболизм лейцина, могут помогать раковым клеткам выживать. Это наблюдение может быть важно для будущих исследований рака, поскольку методы лечения, изменяющие пути, связанные с лейцином, могут по-разному влиять на здоровые и опухолевые клетки.
Полученные данные дополняют растущие свидетельства того, что питательные вещества не просто служат сырьём для организма. Они могут выступать и сигналами, влияющими на работу клеток. В данном случае лейцин, по-видимому, помогает клеткам регулировать производство энергии в соответствии с доступностью питательных веществ, защищая ключевые митохондриальные белки от разрушения. Раскрыв эту ранее неизвестную связь между лейцином, контролем качества белков и митохондриальным метаболизмом, исследователи определили потенциальные новые мишени для заболеваний, при которых нарушено производство клеточной энергии, включая рак и метаболические расстройства.