БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 3, с. 299–306

УДК 577.2

Биосинтез белка в митохондриях: простота в прошлом, совершенство сейчас, неизвестность в будущем

Обзор

© 2020 С.А. Левицкий, М.В. Балева, И.В. Чичерин, И.А. Крашенинников, П.А. Каменский *

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119234 Москва, Россия; электронная почта: peter@protein.bio.msu.ru

Поступила в редакцию 06.11.2019
После доработки 06.12.2019
Принята к публикации 09.12.2019

DOI: 10.31857/S032097252003001X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, трансляция, инициация, фактор трансляции, фактор инициации.

Аннотация

Митохондрии являются облигатными органеллами большинства эукариотических клеток и выполняют большое количество разнообразных функций, имеющих ключевое значение для клеточного гомеостаза. Основной функцией митохондрий является обеспечение клеток энергией в виде АТФ, синтезируемой в результате комплекса реакций окислительного фосфорилирования, осуществляемого на внутренней митохондриальной мембране. Имеющие эндосимбиотическое происхождение, митохондрии в ходе эволюции утратили большую часть генетического материала своего предка в результате редукции генома и переноса значительной части генов в ядро. Большинство митохондриальных белков синтезируются в цитозоле и импортируются в митохондрии. Тем не менее практически все современные митохондрии обладают собственным геномом, а также системами его поддержания, транскрипции и белкового синтеза. Процесс биосинтеза белка в митохондриях – митохондриальная трансляция – существенно отличается от такового у прокариот и у эукариот, демонстрируя высокую степень специализации и специфической регуляции. В данном обзоре мы рассмотрим известные на сегодняшний день данные об общих принципах регуляции митохондриальной трансляции, уделив особое внимание молекулярным механизмам инициации биосинтеза белка у дрожжей и млекопитающих.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Написание данного обзора стало возможным благодаря поддержке Российского научного фонда (грант № 17-14-01005), в рамках которого мы проверили некоторые свои гипотезы на тему эволюции аппарата митохондриальной трансляции. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-14-50206.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов исследований.

Список литературы

1. Spinelli, J.B., and Haigis, M.C. (2018) The multifaceted contributions of mitochondria to cellular metabolism, Nat. Cell Biol., 20, 745–754.

2. Gray, M.W. (2012) Mitochondrial evolution, Cold Spring Harb Perspect. Biol., 4, a011403, doi: 10.1101/cshperspect.a011403.

3. Gray, M.W. (2015) Mosaic nature of the mitochondrial proteome: Implications for the origin and evolution of mitochondria, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 10133–10138, doi: 10.1073/pnas.1421379112.

4. Feagin, J.E., Harrell, M.I., Lee, J.C., Coe, K.J., Sands, B.H., Cannone, J.J., Tami, G., Schnare, M.N., and Gutell, R.R. (2012) The fragmented mitochondrial ribosomal RNAs of plasmodium falciparum, PLoS One, 7, e38320, doi: 10.1371/journal.pone.0038320.

5. Sloan, D.B., Alverson, A.J., Chuckalovcak, J.P., Wu, M., McCauley, D.E., Palmer, J.D., and Taylor, D.R. (2012) Rapid evolution of enormous, multichromosomal genomes in flowering plant mitochondria with exceptionally high mutation rates, PLoS Biol., 10, e1001241, doi: 10.1371/journal.pbio.1001241.

6. Freel, K.C., Friedrich, A., and Schacherer, J. (2015) Mitochondrial genome evolution in yeasts: an all-encompassing view, FEMS Yeast Res., 15, foj023, doi: 10.1093/femsyr/fov023.

7. Taanman, J.W. (1999) The mitochondrial genome: Structure, transcription, translation and replication, Biochim. Biophys. Acta, 1410, 103–123.

8. Burger, G., Gray, M.W., Forget, L., and Lang, B.F. (2013) Strikingly bacteria-like and gene-richmitochondrial genomes throughout jakobid protists, Genome Biol. Evol., 5, 418–438, doi: 10.1093/gbe/evt008.

9. Finkelstein, A.V., Razin, S.V., and Spirin, A.S. (2018) Intersubunit mobility of the ribosome, Mol. Biol. (Mosk.), 52, 921–934.

10. Eme, L., Spang, A., Lombard, J., Stairs, C.W., and Ettema, T.J.G. (2017) Archaea and the origin of eukaryotes, Nat. Rev. Microbiol., 15, 711–723.

11. Amunts, A., Brown, A., Toots, J., Scheres, S.H.W., and Ramakrishnan, V. (2015) The structure of the human mitochondrial ribosome, Science, 348, 95–98, doi: 10.1126/science.aaa1193.

12. Greber, B.J., Bieri, P., Leibundgut, M., Leitner, A., Aebersold, R., Boehringer, D., and Ban, N. (2015) The complete structure of the 55S mammalian mitochondrial ribosome, Science, 348, 303–308, doi: 10.1126/science.aaa3872.

13. Englmeier, R., Pfeffer, S., and Förster, F. (2017) Structure of the human mitochondrial ribosome studied in situ by cryoelectron tomography, Structure, 25, 1574–1581.e2, doi: 10.1016/j.str.2017.07.011.

14. Bieri, P., Greber, B.J., and Ban, N. (2018) High-resolution structures of mitochondrial ribosomes and their functional implications, Curr. Opin. Struct. Biol., 49, 44–53.

15. Ramrath, D.J.F., Niemann, M., Leibundgut, M., Bieri, P., Prange, C., Horn, E.K., Leitner, A., Boehringer, D., Schneider, A., and Ban, N. (2018) Evolutionary shift toward protein-based architecture in trypanosomal mitochondrial ribosomes, Science, 362, doi: 10.1126/science.aau7735.

16. Desai, N., Brown, A., Amunts, A., and Ramakrishnan, V. (2017) The structure of the yeast mitochondrial ribosome, Science, 355, 528–531, doi: 10.1126/science.aal2415.

17. Waltz, F., Nguyen, T.T., Arrivé, M., Bochler, A., Chicher, J., Hammann, P., Kuhn, L., Quadrado, M., Mireau, H., Hashem, Y., and Giegé, P. (2019) Small is big in Arabidopsis mitochondrial ribosome, Nat. Plants, 5, 106–117, doi: 10.1038/s41477-018-0339-y.

18. Waltz, F., Soufari, H., Bochler, A., Giegé, P., and Hashem, Y. (2019) Cryo-EM structure of the RNA-rich plant mitochondrial ribosome, bioRxiv 777342, Cold Spring Harbor Laboratory, doi: 10.1101/777342.

19. Waltz, F., and Giegé, P. (2019) Striking diversity of mitochondria-specific translation processes across eukaryotes, Trends Biochem. Sci., doi: 10.1016/j.tibs.2019.10.004.

20. Ott, M., Amunts, A., and Brown, A. (2016) Organization and regulation of mitochondrial protein synthesis, Annu. Rev. Biochem., 85, 77–101, doi: 10.1146/annurev-biochem-060815-014334.

21. Roll-Mecak, A., Shin, B.S., Dever, T.E., and Burley, S.K. (2001) Engaging the ribosome: Universal IFs of translation, Trends Biochem. Sci., 26, 705–709.

22. Atkinson, G.C., Kuzmenko, A., Kamenski, P., Vysokikh, M.Y., Lakunina, V., Tankov, S., Smirnova, E., Soosaar, A., Tenson, T., and Hauryliuk,. V (2012) Evolutionary and genetic analyses of mitochondrial translation initiation factors identify the missing mitochondrial IF3 in S. cerevisiae, Nucleic Acids Res., 40, 6122–6134, doi: 10.1093/nar/gks272.

23. Julián. P., Milon. P., Agirrezabala, X., Lasso, G., Gil, D., Rodnina, M.V., and Valle, M. (2011) The cryo-EM structure of a complete 30S translation initiation complex from Escherichia coli, PLoS Biol., 9, doi: 10.1371/journal.pbio.1001095.

24. Myasnikov, A.G., Simonetti, A., Marzi, S., and Klaholz, B.P. (2009) Structure-function insights into prokaryotic and eukaryotic translation initiation, Curr. Opin. Struct. Biol., 19, 300–309.

25. Suzuki, T., Nagao, A., and Suzuki, T. (2011) Human mitochondrial tRNAs: biogenesis, function, structural aspects, and diseases, Annu. Rev. Genet., 45, 299–329, doi: 10.1146/annurev-genet-110410-132531.

26. Tan, T.H.P., Bochud-Allemann, N., Horn, E.K., and Schneider, A. (2002) Eukaryotic-type elongator tRNAMet of Trypanosoma brucei becomes formylated after import into mitochondria, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 1152–1157, doi: 10.1073/pnas.022522299.

27. Gaur, R., Grasso, D., Datta, P.P., Krishna, P.D., Das, G., Spencer, A., Agrawal, R.K., Spremulli, L., and Varshney, U. (2008) A single mammalian mitochondrial translation initiation factor functionally replaces two bacterial factors, Mol. Cell, 29, 180–190, doi: 10.1016/j.molcel.2007.11.021.

28. Yassin, A.S., Haque, M.E., Datta, P.P., Elmore, K., Banavali, N.K., Spremulli, L.L., and Agrawal, R.K. (2011) Insertion domain within mammalian mitochondrial translation initiation factor 2 serves the role of eubacterial initiation factor 1, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 3918–3923, doi: 10.1073/pnas.1017425108.

29. Kummer, E., Leibundgut, M., Rackham, O., Lee, R.G., Boehringer, D., Filipovska, A., and Ban, N. (2018) Unique features of mammalian mitochondrial translation initiation revealed by cryo-EM, Nature, 560, 263–267.

30. Vambutas, A., Ackerman, S.H., and Tzagoloff, A. (1991) Mitochondrial translational initiation and elongation factors in Saccharomyces cerevisiae, Eur. J. Biochem., 201, 643–652, doi: 10.1111/j.1432-1033.1991.tb16325.x.

31. Garofalo, C., Trinko, R., Kramer, G., Appling, D.R., and Hardesty, B. (2003) Purification and characterization of yeast mitochondrial initiation factor 2, Arch. Biochem. Biophys., 413, 243–252, doi: 10.1016/s0003-9861(03)00119-x.

32. Peske, F., Rodnina, M.V., and Wintermeyer, W. (2005) Sequence of steps in ribosome recycling as defined by kinetic analysis, Mol. Cell, 18, 403–412, doi: 10.1016/j.molcel.2005.04.009.

33. Elvekrog, M.M., and Gonzalez, R.L. (2013) Conformational selection of translation initiation factor 3 signals proper substrate selection, Nat. Struct. Mol. Biol., 20, 628–633, doi: 10.1038/nsmb.2554.

34. Valásek, L.S. (2012) “Ribozoomin” – translation initiation from the perspective of the ribosome-bound eukaryotic initiation factors (eIFs), Curr. Protein Pept. Sci., 13, 305–330.

35. Biou, V., Shu, F., and Ramakrishnan ,V. (1995) X-ray crystallography shows that translational initiation factor IF3 consists of two compact alpha/beta domains linked by an alpha-helix, EMBO J., 14, 4056–4064, doi: 10.1002/j.1460-2075.1995.tb00077.x.

36. Petrelli, D., La Teana, A., Garofalo, C., Spurio, R., Pon, C.L., and Gualerzi, C.O. (2001) Translation initiation factor IF3: Two domains, five functions, one mechanism? EMBO J., 20, 4560–4569, doi: 10.1093/emboj/20.16.4560.

37. Koc, E.C., and Spremulli, L.L. (2002) Identification of mammalian mitochondrial translational initiation factor 3 and examination of its role in initiation complex formation with natural mRNAs, J. Biol. Chem., 277, 35541–35549, doi: 10.1074/jbc.M202498200.

38. Haque, M.E., and Spremulli, L.L. (2008) Roles of the N– and C-terminal domains of mammalian mitochondrial initiation factor 3 in protein biosynthesis, J. Mol. Biol., 384, 929–940, doi: 10.1016/j.jmb.2008.09.077.

39. Bhargava, K., and Spremulli, L.L. (2005) Role of the N– and C-terminal extensions on the activity of mammalian mitochondrial translational initiation factor 3, Nucleic Acids Res., 33, 7011–7018, doi: 10.1093/nar/gki1007.

40. Christian, B.E., and Spremulli, L.L. (2009) Evidence for an active role of IF3 mt in the initiation of translation in mammalian mitochondria, Biochemistry, 48, 3269–3278, doi: 10.1021/bi8023493.

41. Koripella, R.K., Sharma, M.R., Haque, M.E., Risteff, P., Spremulli, L.L., and Agrawal, R.K. (2019) Structure of human mitochondrial translation initiation factor 3 bound to the small ribosomal subunit, iScience, 12, 76–86, doi: 10.1016/j.isci.2018.12.030.

42. Chicherin, I.V., Zinina, V.V., Levitskiy, S.A., Serebryakova, M.V., and Kamenski, P.A. (2019) Aim23p interacts with the yeast mitochondrial ribosomal small subunit, Biochemistry (Moscow), 84, 40–46, doi: 10.1134/S000629791901005X.

43. Levitskii, S., Derbikova, K., Baleva, M.V., Kuzmenko, A., Golovin, A.V., Chicherin, I., Krasheninnikov, I.A., and Kamenski, P. (2018) 60S dynamic state of bacterial ribosome is fixed by yeast mitochondrial initiation factor 3, PeerJ., 6, e5620, doi: 10.7717/peerj.5620.

44. Derbikova, K., Kuzmenko, A., Levitskii, S., Klimontova, M., Chicherin, I., Baleva, M.V., Krasheninnikov, I.A., and Kamenski, P. (2018) Biological and evolutionary significance of terminal extensions of mitochondrial translation initiation factor 3, Int. J. Mol. Sci., 19, doi: 10.3390/ijms19123861.

45. Kuzmenko, A., Derbikova, K., Salvatori, R., Tankov, S., Atkinson, G.C., Tenson, T., Ott, M., Kamenski, P., and Hauryliuk, V. (2016) Aim-less translation: loss of Saccharomyces cerevisiae mitochondrial translation initiation factor mIF3/Aim23 leads to unbalanced protein synthesis, Sci. Rep., 6, 18749, doi: 10.1038/srep18749.

46. Herrmann, J.M., Woellhaf, M.W., and Bonnefoy, N. (2013) Control of protein synthesis in yeast mitochondria: The concept of translational activators, Biochim. Biophys. Acta, 1833, 286–294.

47. Derbikova, K.S., Levitsky, S.A., Chicherin, I.V., Vinogradova, E.N., and Kamenski, P.A. (2018) Activation of yeast mitochondrial translation: Who is in charge? Biochemistry (Moscow), 83, 87–97.

48. Montoya, J., Ojala, D., and Attardi, G. (1981) Distinctive features of the 5′-terminal sequences of the human mitochondrial mRNAs, Nature, 290, 465–470, doi: 10.1038/290465a0.

49. Weraarpachai, W., Antonicka, H., Sasarman, F., Seeger, J., Schrank, B., Kolesar, J.E., Lochmüller, H., Chevrette, M., Kaufman, B.A., Horvath, R., and Shoubridge, E.A. (2009) Mutation in TACO1, encoding a translational activator of COX I, results in cytochrome c oxidase deficiency and late-onset Leigh syndrome, Nat. Genet., 41, 833–837, doi: 10.1038/ng.390.

50. Green-Willms, N.S., Butler, C.A., Dunstan, H.M., and Fox, T.D. (2001) Pet111p, an inner membrane-bound translational activator that limits expression of the Saccharomyces cerevisiae mitochondrial gene COX2, J. Biol. Chem., 276, 6392–6397, doi: 10.1074/jbc.M009856200.

51. Rudler, D.L., Hughes, L.A., Perks, K.L., Richman, T.R., Kuznetsova, I., Ermer, J.A., Abudulai, L.N., Shearwood, A.J., Viola, H.M., Hool, L.C., Siira, S.J., Rackham, O., and Filipovska, A. (2019) Fidelity of translation initiation is required for coordinated respiratory complex assembly, Sci. Adv., 5, doi: 10.1126/sciadv.aay2118.