Dynamic protein phosphorylation shapes mitochondrial catalysis, import, and architecture

In bijna elke levende cel bevinden zich minuscule energiecentrales die mitochondriën worden genoemd. Deze organellen zijn verantwoordelijk voor het genereren van de energie die ons lichaam draaiende houdt, maar het zijn ook complexe machines die constant moeten worden aangepast om aan de behoeften van de cel te voldoen. Net zoals een automotor een monteur nodig heeft om de onderdelen af te stemmen op verschillende snelheden en belastingen, gebruiken cellen een chemische schakelaar genaand fosforylering om te verfijnen hoe hun mitochondriën werken. Deze schakelaar werkt door een kleine chemische tag aan specifieke eiwitten te bevestigen, wat de manier waarop die eiwitten zich gedragen, waar ze naartoe gaan of hoe ze met anderen interageren, kan veranderen. Hoewel wetenschappers lang geleden al wisten dat deze etikettering binnen de mitochondriën plaatsvindt, hebben ze moeite gehad om te begrijpen welke tags er daadwerkelijk toe doen. De meeste van de duizenden tags die op mitochondriale eiwitten worden gevonden, lijken willekeurige ruis te zijn, wat het moeilijk maakt om te onderscheiden welke van deze tags echte controles zijn en welke slechts biologische achtergrondstatische elektriciteit.

Een team onderzoekers aan de Washington University School of Medicine zette zich schouder aan schouder om dit puzzelstuk op te lossen door het probleem vanuit een andere hoek te bekijken. In plaats van te proberen te raden welke tags belangrijk waren, verwijderden ze systematisch de cellulaire instrumenten die verantwoordelijk zijn voor het verwijderen van die tags. De cel gebruikt speciale enzymen, die fungeren als gummetjes, om deze chemische tags te verwijderen wanneer ze niet langer nodig zijn. De onderzoekers schakelden tien van deze specifieke gummetjes één voor één uit in mulevercellen. Door te observeren wat er gebeurde wanneer deze gummetjes ontbraken, konden ze zien welke tags zich ophoopten en welke eiwitten door hen werden gecontroleerd. Deze aanpak stelde hen in staat om een dynamisch regulatienetwerk in kaart te brengen, waarbij werd onthuld dat fosforylering niet alleen een willekeurige gebeurtenis is, maar een precieze mechanisme dat drie cruciale aspecten van het mitochondriale leven regelt: hoe snel enzymen werken, hoe eiwitten in het organel worden geïmporteerd en de fysieke vorm van het mitochondrium zelf.

De studie begon met het identificeren van honderden locaties op mitochondriale eiwitten waar deze chemische tags zich ophopen wanneer de gummetjes worden verwijderd. De onderzoekers ontdekten dat deze tags niet willekeurig verspreid zijn; ze hebben de neiging om te clusteren in flexibele, ongestructureerde regio's van eiwitten in plaats van in rigide, gevouwen delen. Dit suggereert dat de tags werken door de vorm of flexibiliteit van het eiwit te veranderen, in plaats van alleen maar een specifieke plek te blokkeren. Om te begrijpen wat dit voor de cel betekende, richtte het team zich op drie specifieke voorbeelden waar de tags een duidelijk en dramatisch effect hadden.

Eerst keken ze naar een eiwit genaamd adenylaatkinase 2, dat helpt bij het beheren van de energievaluta binnen de cel. Ze ontdekten dat wanneer een tag op een specifieke plek nabij het actieve centrum van het eiwit wordt geplaatst, het fungeert als een zwaar gewicht dat voorkomt dat het eiwit de brandstof kan grijpen die het nodig heeft om te werken. In experimenten maakten de onderzoekers versies van dit eiwit die niet getagd konden worden en versies die permanent getagd waren. De permanent getagde versie had moeite om zich aan zijn moleculen te binden, wat de chemische reactie die het zou moeten uitvoeren effectief vertraagde. Dit toonde aan dat een enkele tag de snelheid van een enzym direct kan afstemmen door het voor het enzym moeilijker te maken om zijn ingrediënten vast te houden.

Vervolgens onderzocht het team hoe eiwitten in de mitochondriën terechtkomen. Mitochondriën hebben een specifieke toegangspoort, en eiwitten die bestemd zijn voor de binnenkant moeten een speciaal adreslabel dragen om erdoorheen te komen. De onderzoekers ontdekten dat als een tag direct naast dit adreslabel wordt geplaatst, het de eiwit verhindert om op de juiste manier de mitochondriën binnen te gaan. Ze richtten zich op een eiwit genaamd BCKDK, dat controleert hoe de cel bepaalde voedingsstoffen uit voedsel afbreekt. Wanneer dit eiwit nabij zijn adreslabel werd getagd, bleef het buiten hangen of werd het niet correct verwerkt zodra het de mitochondriën binnenging. Als gevolg hiervan konden de mitochondriën vertakte aminozuren niet efficiënt afbreken. Deze bevinding onthulde een nieuwe manier waarop de cel het metabolisme beheert: door een tag te gebruiken als poortwachter voor de toegang van belangrijke regulatoren, kan de cel metabole routes onmiddellijk aan- of uitzetten zonder te wachten op de productie van nieuwe eiwitten.

De meest opvallende ontdekking betrof de fysieke architectuur van de mitochondriën. Het binnenmembraan van de mitochondriën is gevouwen in structuren genaamd cristae, die lijken op planken en essentieel zijn voor het genereren van energie. De onderzoekers ontdekten dat wanneer zij een specifiek gum-enzym verwijderden, een groot aantal tags zich ophoopte op de eiwitten die deze planken bouwen en onderhouden. Twee van deze eiwitten, die fungeren als structurele steigers, waren zwaar getagd. Toen de onderzoekers deze tagging in het laboratorium nabootsten, zagen ze dat de mitochondriën van vorm veranderden. De planken werden talrijker en compacter, wat de algehele structuur van het organel veranderde. Dit suggereert dat de cel het interne landschap van zijn energiecentrale snel kan herstructureren door het toevoegen of verwijderen van tags aan de structurele eiwitten, waardoor het in realtime kan worden aangepast aan de energiegenererende capaciteit.

Om te bevestigen dat deze veranderingen niet slechts een bijwerking waren van het hebben van te veel eiwitten, controleerden de onderzoekers of de hoeveelheid van het eiwit zelf was veranderd. Ze vonden dat de niveaus van de structurele eiwitten gelijk bleven; alleen hun chemische tags waren veranderd. Dit bewees dat de tags zelf de oorzaak waren van de structurele verschuiving. Bovendien observeerden zij dat cellen met deze gewijzigde tags sneller groeiden en een hogere capaciteit voor respiratie hadden, wat erop wijst dat deze herstructurering een echt voordeel bood voor het vermogen van de cel om energie te produceren.

De studie sloot ook verschillende alternatieve verklaringen uit. Zo toonden zij aan dat de veranderingen in de vorm van de mitochondriën niet werden veroorzaakt door het feit dat de cellen simpelweg meer van de structurele eiwitten aanmaakten of dat de eiwitten sneller werden afgebroken. De veranderingen waren strikt toe te schrijven aan de chemische modificatie van bestaande eiwitten. Daarnaast toonden de onderzoekers aan dat de gevonden tags geen toevallige ongelukjes waren, maar specifiek werden gecontroleerd door de gum-enzymen die zij hadden verwijderd, aangezien het herintroduceren van een werkend gum-enzym de effecten ongedaan maakte.

Dit werk biedt een helder beeld van hoe cellen een eenvoudige chemische schakelaar gebruiken om complexe machines te beheren. Het laat zien dat fosforylering niet slechts een passieve markering is, maar een actieve regulator die enzymen aan of uit kan zetten, de stroom van eiwitten naar het organel kan controleren en de fysieke structuur van het organel kan hervormen. Door deze verbindingen in kaart te brengen, zijn de onderzoekers verder gegaan dan alleen het opsommen van waar tags worden gevonden, naar het begrijpen van wat die tags daadwerkelijk doen. De bevindingen suggereren dat de cel beschikt over een geavanceerd, snel reagerend systeem om de energieproductie aan te passen, een systeem dat opereert op een tijdschaal van seconden in plaats van de uren die het kost om nieuwe eiwitten te bouwen. Dit niveau van controle stelt de cel in staat om onmiddellijk te reageren op veranderingen in de omgeving, waardoor wordt gewaarborgd dat de energiecentrales altijd op de juiste snelheid en in de juiste vorm draaien.