En ny studie från University of Miami och University of Nebraska-Lincoln har upphävt decennier av doktrin om ett enzym vars mutation eller funktionsfel kan utlösa dödliga sjukdomar tidigt i livet. Forskargruppen, som inkluderade Nebraskas Jonathan Dietz och Javier Seravalli, rapporterade sina resultat i tidskriften Nature Communications .

Det enzymet, cytokrom c-oxidas, finns i mitokondrier och fungerar som en inkörsport till de cellulära organellerna som är mest kända för att generera energi som driver alla typer av livsuppehållande operationer. Cytokrom c-oxidas är också en av de sista aktörerna i en Rube Goldberg-liknande parad av interaktioner som transporterar och i slutändan omvandlar biokemisk valuta – syre och glukos – till den energilagrande molekylen som kallas ATP.

Sammansättningen av cytokrom c-oxidas i sig är knappast heller en enkel process. Faktum är att biokemister har ägnat flera år åt att sätta ihop hur det enorma enzymet sätts ihop.

"Det är verkligen sofistikerat maskineri", säger Oleh Khalimonchuk, Susan J. Rosowski professor i biokemi vid Nebraska och en ledande medförfattare till studien.

Biokemister undersökte initialt enzymet i bakterier, jäst och andra encelliga organismer som utvecklade cytokrom c-oxidas långt innan människor gjorde det. Men komplexiteten hos både mänskliga celler och enzymet, som består av mer än ett dussin subenheter, har komplicerade försök att bedöma dess montering i dessa celler. Hittills har forskare dock antagit att sammansättningen av enzymets katalytiska kärna utspelar sig hos människor ungefär som i mikroorganismer.

Ledda av Miamis Antoni Barrientos och Eva Nývltová, åtog sig Hurricane-Husker-teamet den ansträngande uppgiften att radera, en efter en, mer än ett dussin gener som styr produktionen av proteiner och andra molekyler som tros bygga ihop enzymet hos människor. Genom att analysera resultaten av varje radering i tur och ordning lyckades forskarna identifiera de molekylära MVP:erna på löpande bandet, karakterisera deras bidrag till den sammansättningen och bestämma deras operationsordning med nästan aldrig tidigare skådad precision.

En del av det de hittade stred mot den sedan länge accepterade litteraturen på området.

"Sättet som begreppen har lagts ut i studier av bakterier och jäst visar sig inte vara exakt samma i mänskliga celler," sa Khalimonchuk om enzymkomponenterna. "Jag tror att detta i grunden krossar ett decennier gammalt paradigm när det gäller hur dessa faktorer beter sig."

En av de viktigaste överraskningarna kom i form av COX11, ett sammansättningshjälpande protein så kritiskt i jäst att utan det, sade Khalimonchuk, "de där mitokondrierna är döda i vattnet." I mänskliga celler, bekräftade teamet, samarbetar COX11 med andra proteiner för att chaperone kopparatomer över en cell och inbädda dem i två kärnsubenheter av cytokrom c-oxidas. Därifrån hjälper kopparatomerna till att utlösa produktion av energilagrande ATP genom att ta emot elektroner och föra protoner in i en mitokondrie.

Men när forskarna slog ut genen som är ansvarig för COX11, upptäckte de att de resulterande cellerna fortfarande lyckades samla ihop cirka 15 % så många cytokrom c-oxidaser som de vanligtvis gör, och bibehåller ungefär 60 % av sin vanliga ATP-produktion. Teamet fastställde senare att mänskliga celler som saknar COX11 kan kalla fram andra proteiner som - trots det lägre vaddgenomsnittet - effektivt kan nypa för det. Och när teamet manipulerade celler för att ta bort mer av det nypande proteinet som kallas PET191, hoppade den COX11-lösa samlingen av cytokrom c-oxidaser från 15 % till 40 %.

"Det löste en gåta, eftersom många mutationer i sammansättningsfaktorerna för cytokromoxidas är kopplade till sjukdomar hos människor," sa Khalimonchuk. "Det finns massor av medfödda sjukdomar, men de hade aldrig rapporterats med en mutation i COX11 - till skillnad från någon annan faktor som vi har att göra med. Det här var så bisarrt. Men nu förklarar dessa data faktiskt varför:eftersom det delvis är oundgängligt. ."

Men Khalimonchuk och hans kollegor drog också slutsatsen att COX11, som förenar sig med vissa proteiner tills dessa proteiner är redo att chaperone koppar till enzymets kärnsubenheter, fungerar som ett reglerande skydd mot den långsiktiga uppbyggnaden av giftiga molekyler. Det är särskilt viktigt, sade han, med tanke på den explosiva cocktail av syre och elektronrika molekyler som ofta virvlar runt mitokondrier.

"Du kan tänka på oxidas som en tidsinställd bomb, eftersom du har alla dessa saker som är redo för omedelbar reaktion - att acceptera elektroner, reagera med syre och så vidare," sa Khalimonchuk. "Så allt måste finjusteras och komma på plats (vid rätt tidpunkt). Om något inte stämmer – om du har någon felaktig montering, några föräldralösa underenheter, något som utsätts för en miljö som det inte borde vara – dvs. en riktigt farlig situation. De tänds direkt, och det har några ganska skadliga konsekvenser för en cell.

"En del av anledningen till att dessa sjukdomar anses vara så otäcka och drastiska är på grund av dessa egenskaper hos cytokromoxidas."

På det sättet kommer en granskning av detaljerna i cytokrom c-oxidas att visa sig vara avgörande för att bättre diagnostisera och så småningom behandla de ondskefulla sjukdomarna som dess dysfunktion kan orsaka, sa Khalimonchuk. Ett sällsynt men förödande exempel, Leighs syndrom, drabbar nervsystemet hos nyfödda, som i allmänhet inte överlever mer än några år.

"Det finns ett helt spektrum av medfödda sjukdomar," sa Khalimonchuk. "Alla debuterar tidigt, eftersom du behöver andas (och producera ATP) i stort sett från början. Mitokondriella sjukdomar är otäcka i allmänhet, men de är särskilt otäcka."

För att förklara värdet av mitokondrifokuserade fynd citerade Khalimonchuk nyare forskning som visar att administrering av syre till patienter med allvarliga mitokondriella sjukdomar – en vanlig taktik på akutmottagningar – faktiskt är skadligt.

Bara det representerar framsteg, sa Khalimonchuk. Men att gå från korrigeringar och rekommendationer till potentiellt livräddande mediciner kommer att kräva att biokemister fortsätter att kamma finstilt från bruksanvisningarna för cytokrom c-oxidas och mitokondriella maskiner som det. Det betyder samarbete, sa han, och en vilja att ta sig an det "långa slaget" av det mödosamma men avgörande arbetet.

"Vi hoppas att det kommer att bli fler uppföljningar, inte bara nödvändigtvis av oss, för att ännu bättre förstå hela processen", sa Khalimonchuk, "och kanske hitta några andra saknade bitar." + Utforska vidare

Arkitektur av ett bakteriell kraftverk dekrypterad