náhled| Krystalografická struktura proteinu MFN2 (duhově zbarvený, N-konec = modrý, C-konec = červený).; Mitofusin-2 (MFN2) je protein, který je u člověka kódován genem MFN2. Mitofusiny jsou mitochondriální membránové GTPázy zabudované ve vnější mitochondriální membráně (OMM). U savců hrají MFN1 a MFN2 ustřední roli v regulaci mitochondriální fúze a buněčného metabolismu. Kromě mitofusinů reguluje fúzi vnitřní mitochondriální membrány protein OPA1 a naopak protein DRP1 je zodpovědný za mitochondriální dělení.
Struktura Lidský protein MFN2 obsahuje 757 aminokyselinových zbytků. MFN2 se skládá z velké cytosolické GTPázové domény na N-konci, dále z domény "coiled-coil heptad-repeat (HR1)", oblasti bohaté na prolin (PR), dvou po sobě jdoucích transmembránových (TM) domén protínajících OMM a druhé cytosolické domény s oblastí "heptad-repeatem (HR2)" na C-konci. Pomocí elektronové mikroskopie bylo prokázáno, že se MFN2 hromadí v kontaktních oblastech mezi sousedními mitochondriemi, což podporuje jejich úlohu při mitochondriální fúzi. MFN1 i MFN2, které se rozprostírají od OMM dvou protilehlých mitochondrií, spolu fyzicky interagují in trans, a to tvorbou antiparalelních dimerů mezi jejich HR2 doménami.náhled| Terciární struktura MFN2.|vlevo
Funkce Klíčová studie provedená in vivo (na myších) odhalila, že MFN2 je nezbytný pro embryonální vývoj, a proto je jeho delece u myší letální během midgestace. Inaktivace alel MFN2 po placentaci rovněž odhalila, že ablace MFN2 vážně narušuje vývoj mozečku. Bylo také popsáno, že Mfn1 a Mfn2 (myší homology lidských MFN1 a MFN2) jsou všudypřítomně exprimovány, přesto však vykazují různé relativní úrovně exprese v různých tkáních, přičemž MFN2 je převážně exprimovaným mitofusinem v mozku a MFN1 v srdci. Tato tkáňově specifická exprese by mohla být jedním z důvodů, proč její ablace vyvolává poruchy specifické pro mozeček.
Mitochondriální dělení a fúze náhled|Mitochondriální síť (zeleně) u dvou lidských buněk (HeLa buňky). Fluorescenční mikroskopický snímek HeLa buněk exprimujících mitochondriální verzi zeleného fluorescenčního proteinu (mtGFP).|vlevo MFN2 je mitochondriální membránový protein, který se podílí na mitochondriální fúzi a přispívá k udržování a fungování mitochondriální sítě. Mitochondrie fungují jako dynamická síť, která neustále prochází fúzí a dělením ("mitochondriální dynamika"). Rovnováha mezi fúzí a dělením je důležitá pro zachování integrity mitochondrií a usnadňuje míchání membrán a výměnu DNA mezi mitochondriemi. MFN1 a MFN2 zprostředkovávají fúzi vnějších mitochondriálních membrán, OPA1 se podílí na fúzi vnitřních membrán a DRP1 je zodpovědný za mitochondriální dělení.
Mitochondriální fúze je specifický proces, protože zahrnuje dvě membrány: vnější (OMM) a vnitřní (IMM) mitochondriální membránu, které musí být koordinovaně přeskupeny, aby byla zachována integrita organel. Nedávné studie ukázaly, že buňky s deficitem MFN2 vykazují aberantní morfologii mitochondrií se zřetelnou fragmentací sítě.
Mitochondriální fúze je nezbytná pro embryonální vývoj. Myši s knockoutem MFN1 nebo MFN2 mají deficit fúze a umírají v polovině těhotenství. Myši s knockoutem MFN2 umírají v 11,5. embryonálním dni v důsledku defektu obrovské buněčné vrstvy placenty. Mitochondriální fúze je také důležitá pro transport a lokalizaci mitochondrií v neuronálních procesech. U podmíněně knockoutovaných myší s MFN2 dochází k degeneraci Purkyňových buněk mozečku a k nesprávné lokalizaci mitochondrií v dendritech. MFN2 také asociuje s komplexem MIRO-Milton, který spojuje mitochondrie s kinezinovými motory.
Kontaktní místa mitochondrie-ER MFN2 je rovněž považován za protein regulující kontaktní místa mitochondrie-ER (MERCS), ačkoli jeho přesná funkce v tomto systému stále není známa. Bylo zjištěno, že malé množství MFN2 se nacházejí v membránách ER, zejména v tzv. mitochondriálních membránách asociovaných s ER (MAM). Tvrdí se, že některé procesy, o nichž je známo, že probíhají v blízkosti MERCS, jako je tvorba autofagozomů, jsou modulovány přítomností MFN2.
Axonální transport mitochondrií Předpokládá se, že MFN2 má zásadní význam pro transport mitochondrií podél axonů, protože se podílí na jejich připojení k mikrotubulům prostřednictvím interakce se dvěma hlavními motorickými proteiny Miro a Milton. Bylo prokázáno, že MFN2 moduluje i další nitrobuněčné dráhy, jako je progrese buněčného cyklu, udržování mitochondriální bioenergetiky, apoptóza a autofagie.
Klinický význam Význam regulované mitochondriální morfologie ve fyziologii buněk okamžitě ukazuje potenciální vliv MFN2 na vznik/progresi různých patologických stavů.
Charcot–Marie–Toothova choroba, typ 2A (CMT2A) Charcot-Marie-Toothova choroba typu 2A (CMT2A) je způsobena mutacemi v genu MFN2. Mutace MFN2 jsou spojeny s neurologickými poruchami charakterizovanými širokým klinickým fenotypem, který zahrnuje centrální a periferní nervový systém. Postižení prvního z nich je vzácnější, zatímco formy neuropatie jsou častější a závažnější, zahrnují nohy i ruce, projevují se slabostí, ztrátou citlivosti a atrofií zrakového nervu. Všechny tyto komplexní fenotypy jsou klinicky shromážděny v neurologickém onemocnění CMT2A, podtypu heterogenní skupiny vrozených neuromuskulárních onemocnění, která postihují motorické a senzorické neurony a nazývají se nemoc CMT.
Z různých typů buněk jsou neurony obzvláště citlivé na defekty MFN2: tyto buňky potřebují ke správné funkci funkční mitochondrie umístěné na specifických místech, které podporují odpovídající produkci ATP a pufrování Ca2+. Předpokládá se, že se defektní mitochondriální fúze podílí na patogenezi CMT2A. Další důležitou funkcí buněk změněnou v přítomnosti mutací MFN2 je mitochondriální transport a současné modely skutečně navrhují tento defekt jako hlavní příčinu CMT2A.
Mutace v OPA1 způsobují také atrofii zrakového nervu, což naznačuje společnou roli mitochondriální fúze v neuronální dysfunkci. Přesný mechanismus, jak mutace v MFN2 selektivně způsobují degeneraci dlouhých periferních axonů, není znám. Existují důkazy naznačující, že by to mohlo být způsobeno defekty v axonálním transportu mitochondrií.
Alzheimerova choroba Stále více důkazů naznačuje možnou souvislost mezi deregulací MFN2 a Alzheimerovou chorobou (AD). Hladiny proteinu a mRNA MFN2 jsou sníženy zejména ve frontální kůře pacientů s Alzheimerovou chorobou a v hipokampálních neuronech pacientů s Alzheimerovou chorobou post mortem. Pozoruhodné je, že mozková kůra a hipokampus jsou oblasti mozku, ve kterých je u AD pozorováno významné poškození neuronů. Zajímavé je, že gen MFN2 se nachází na chromozomu 1p36, který byl navržen jako lokus související s AD. V současné době však není známo, zda jsou změny v genu MFN2 příčinou patologie, nebo pouze důsledkem AD. Zejména není jasné, zda MFN2 souvisí s AD prostřednictvím svého vlivu na mitochondrie, nebo ovlivněním jiných drah.
Souhrnně lze říci, že mitochondriální dysfunkce je významným rysem neuronů u AD. Bylo popsáno, že hladiny DRP1, OPA1, MFN1 a MFN2 jsou u AD výrazně sníženy, zatímco hladiny FIS1 jsou výrazně zvýšeny.
Parkinsonova choroba MFN2 je klíčovým substrátem dvojice PINK1/parkin, jejíž mutace jsou spojeny s familiárními formami Parkinsonovy choroby (PD). Bylo prokázáno, že MFN2 je nezbytný pro axonální projekce dopaminergních (DA) neuronů středního mozku, které jsou u PD postiženy. Změny MFN2 v progresi PD, s ohledem na schopnost PINK1 a parkinu spouštět posttranslační modifikace svých substrátů, dosud nebyly vyhodnoceny.
Obezita, diabetes, inzulinová rezistence Protein MFN2 může hrát roli v patofyziologii obezity. U obezity a diabetu II. typu byla zjištěna snížená exprese MFN2. Snížená regulace MFN2 následně aktivuje dráhu JNK, což podporuje tvorbu lipidových meziproduktů, které vedou k inzulinové rezistenci. Nedávné studie také ukázaly, že u obezity a diabetu dochází snížením regulace MFN2 k zastavení fúze mitochondrií, což vede k fragmentaci mitochondriální sítě. Tato fragmentace je zřejmá v beta-buňkách pankreatu v Langerhansových ostrůvcích a může inhibovat mechanismy kontroly kvality mitochondrií, jako je mitofagie a autofagie – což vede k poruše sekrece inzulinu a případnému selhání beta-buňky. Exprese MFN2 v kosterním svalu je úměrná citlivosti této tkáně na inzulin a její exprese je snížena u myší krmených potravou s vysokým obsahem tuku a u potkanů.
Kardiomyopathie V srdci je embryonální kombinovaná delece MFN1/MFN2 pro myší embryo letální, zatímco u dospělých vyvolává progresivní a letální dilatační kardiomyopatii. Byla pozorována mírná srdeční hypertrofie spojená s tendencí mitochondrií zbavených MFN2 způsobená zvýšenou odolností vůči podnětům pro buněčnou smrt zprostředkovanou Ca2+. Ačkoli je význam MFN2 ve fyziologii kardiomyocytů nesporný, objasnění, zda se na něm podílí jeho proléčebná aktivita nebo jiné funkční vlastnosti proteinu, bude vyžadovat další výzkum.
Nádorová onemocnění Studium mechanismů mitochondriální funkce, konkrétně funkce MFN2, v průběhu nádorového bujení má zásadní význam pro novou generaci protinádorových léčiv. Nedávné studie ukázaly, že dysregulace mitochondriální sítě může mít vliv na proteiny MFN2, což vyvolává mitochondriální hyperfúzi a fenotyp multirezistence (MDR) v nádorových buňkách. Nádorové buňky s MDR se chovají mnohem agresivněji a jsou velmi invazivní s lepší schopností metastazovat. Všechny tyto faktory vedou ke špatné prognóze nádorového onemocnění, a proto jsou zapotřebí nové terapeutické strategie zaměřené na buňky TNBC s MDR a jejich eradikaci. Byla vyslovena hypotéza, že mitochondriální hyperfúze je jedním z hlavních mechanismů, které činí buňky rezistentní vůči tradiční chemoterapeutické léčbě. Inhibice mitochondriální fúze by tedy senzibilizovala nádorové buňky k chemoterapii, což by z ní učinilo výrazně účinnější léčbu. K inhibici mitochondriální hyperfúze je třeba použít peptid anti-MFN2, který se naváže na mitochondriální membránu proteinů MFN2 a zabrání jim tak v budování mitochondriální sítě. Cílem anti-MFN2 peptidu je znefunkčnit MFN2, aby se nemohl podílet na mitochondriální fúzi a na fungování mitochondriální sítě. Tímto způsobem nedojde k hyperfúzi a chemoterapeutika by byla mnohem úspěšnější. V této oblasti je však nutné další zkoumání, protože je zde stále mnoho neznámých.
Reference
Kategorie:Mitochondrie Kategorie:Buněčná biologie