Трансляционный активатор Mss51p дрожжей и белок ZMYND17 человека – общность происхождения, различие функций

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра молекулярной биологии, 119234 Москва, Россия

Поступила в редакцию 18.05.2021
После доработки 19.07.2021
Принята к публикации 19.07.2021

DOI: 10.31857/S0320972521090104

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, трансляция, активаторы трансляции, регуляция трансляции.

Аннотация

Трансляция в митохондриях современных эукариот, несмотря на сходство с биосинтезом белка у бактерий, имеет ряд особенностей. Одной из таких уникальных черт является необходимость координации трансляции отдельных митохондриальных мРНК, кодирующих субъединицы комплексов цепи окислительного фосфорилирования, с трансляцией других компонентов этих комплексов в цитозоле. В митохондриях пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae такая координация осуществляется посредством системы белков – трансляционных активаторов, преимущественно взаимодействующих с 5′-нетранслируемыми областями митохондриальных мРНК. В митохондриях человека подобной системы не обнаружено, хотя и выявлен один трансляционный активатор TACO1. В данной работе мы изучили влияние на митохондриальную трансляцию в клетках человека делеции гена ZMYND17, кодирующего ортолог дрожжевого трансляционного активатора Mss51p. Нам удалось продемонстрировать, что делеция ZMYND17 не влияет на трансляцию в митохондриях, однако снижает активность цитохром с-оксидазы и увеличивает количество свободной F₁-субъединицы АТФ-синтазы. Помимо этого, мы изучили эволюционную историю Mss51p и ZMYND17 и выявили путь расхождения функций этих ортологичных белков.

Текст статьи

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-29-07002) (практическая часть), а также в рамках государственного задания МГУ, тема 24-2-21 (биоинформатическая часть).

Благодарности

Работа частично выполнена на научном оборудовании, закупленном в рамках реализации Программы развития МГУ имени М.В. Ломоносова. Авторы статьи – участники коллектива Научно-образовательной школы МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология».

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или какой-либо иной сфере.

Соблюдение этических норм

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

Список литературы

1. Lazcano, A., and Peretó, J. (2021) Prokaryotic symbiotic consortia and the origin of nucleated cells: a critical review of Lynn Margulis hypothesis, BioSystems, 204, doi: 10.1016/j.biosystems.2021.104408.

2. Levitskii, S. A., Baleva, M. V., Chicherin, I. V., Krasheninnikov, I. A., and Kamenski, P. A. (2020) Protein biosynthesis in mitochondria: past simple, present perfect, future indefinite, Biochem., 85, 257-263, doi: 10.1134/S0006297920030013.

3. Kuzmenko, A. V., Levitskii, S. A., Vinogradova, E. N., Atkinson, G. C., Hauryliuk, V., et al. (2013) Protein biosynthesis in mitochondria, Biochemistry, 78, 855-866.

4. Al-Faresi, R. A. Z., Lightowlers, R. N., Chrzanowska-Lightowlers, Z. M. A. (2019) Mammalian mitochondrial translation-revealing consequences of divergent evolution, Biochem. Soc. Trans., 47, 1429-1436, doi: 10.1042/BST20190265.

5. Foury, F., Roganti, T., Lecrenier, N., and Purnelle, B. (1998) The complete sequence of the mitochondrial genome of Saccharomyces cerevisiae, FEBS Lett., 440, 325-331, doi: 10.1016/S0014-5793(98)01467-7.

6. Lipinski, K. A., Kaniak-Golik, A., and Golik, P. (2010) Maintenance and expression of the S. cerevisiae mitochondrial genome – from genetics to evolution and systems biology, Biochim. Biophys. Acta, 1797, 1086-1098, doi: 10.1016/j.bbabio.2009.12.019.

7. 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, doi: 10.1134/S0006297918020013.

8. Zamudio-Ochoa, A., Camacho-Villasana, Y., García-Guerrero, A. E., Pérez-Martínez, X. (2014) The Pet309 pentatricopeptide repeat motifs mediate efficient binding to the mitochondrial COX1 transcript in yeast, RNA Biol., 11, 953-967, doi: 10.4161/rna.29780.

9. Manthey, G. M., and McEwen, J. E. (1995) The product of the nuclear gene PET309 is required for translation of mature mRNA and stability or production of intron-containing RNAs derived from the mitochondrial COX1 locus of Saccharomyces cerevisiae, EMBO J., 14, 4031-4043, doi: 10.1002/j.1460-2075.1995.tb00074.x.

10. Hillman, G. A., and Henry, M. F. (2019) The yeast protein Mam33 functions in the assembly of the mitochondrial ribosome, J. Biol. Chem., 294, 9813-9829, doi: 10.1074/jbc.RA119.008476.

11. De Silva, D., Poliquin, S., Zeng, R., Zamudio-Ochoa, A., Marrero, N., et al. (2017) The DEAD-box helicase Mss116 plays distinct roles in mitochondrial ribogenesis and mRNA-specific translation, Nucleic Acids Res., 45, 6628-6643, doi: 10.1093/nar/gkx426.

12. Perez-Martinez, X., Broadley, S. A., and Fox, T. D. (2003) Mss51p promotes mitochondrial Cox1p synthesis and interacts with newly synthesized Cox1p, EMBO J., 22, 5951-5961, doi: 10.1093/emboj/cdg566.

13. Perez-Martinez, X., Butler, C. A., Shingu-Vazquez, M., and Fox, T. D. (2009) Dual functions of Mss51 couple synthesis of Cox1 to assembly of cytochrome c oxidase in Saccharomyces cerevisiae mitochondria, Mol. Biol. Cell, 20, 4371-4380, doi: 10.1091/mbc.E09-06-0522.

14. Soto, I. C., Fontanesi, F., Myers, R. S., Hamel, P., and Barrientos, A. (2012) A heme-sensing mechanism in the translational regulation of mitochondrial cytochrome c oxidase biogenesis, Cell Metab., 16, 801-813, doi: 10.1016/j.cmet.2012.10.018.

15. Khalimonchuk, O., Bestwick, M., Meunier, B., Watts, T. C., and Winge, D. R. (2010) Formation of the redox cofactor centers during cox1 maturation in yeast cytochrome oxidase, Mol. Cell. Biol., 30, 1004-1017, doi: 10.1128/mcb.00640-09.

16. Scheffler, I. E. (2007) Mitochondria: Second Edition, John Wiley and Sons, doi: 10.1002/9780470191774.

17. Gissi, C., Iannelli, F., and Pesole, G. (2008) Evolution of the mitochondrial genome of Metazoa as exemplified by comparison of congeneric species, Heredity (Edinb.), 101, 301-320, doi: 10.1038/hdy.2008.62.

18. Christian, B. E., Spremulli, L. L. (2010) Preferential selection of the 5′-terminal start codon on leaderless mRNAs by mammalian mitochondrial ribosomes, J. Biol. Chem., 285, 28379-28386, doi: 10.1074/jbc.M110.149054.

19. Kummer, E., Leibundgut, M., Rackham, O., Lee, R. G., Boehringer, D., et al. (2018) Unique features of mammalian mitochondrial translation initiation revealed by cryo-EM, Nature, 560, 263-267, doi: 10.1038/s41586-018-0373-y.

20. Jones, C. N., Wilkinson, K. A., Hung, K. T., Weeks, K. M., and Spremulli, L. L. (2008) Lack of secondary structure characterizes the 5′-ends of mammalian mitochondrial mRNAs, RNA, 14, 862-871, doi: 10.1261/rna.909208.

21. Weraarpachai, W., Antonicka, H., Sasarman, F., Seeger, J., Schrank, B., et al. (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.

22. Richman, T. R., Spahr, H., Ermer, J. A., Davies, S. M. K., Viola, H. M., et al. (2016) Loss of the RNA-binding protein TACO1 causes late-onset mitochondrial dysfunction in mice, Nat. Commun., 7, doi: 10.1038/ncomms11884.

23. Sferruzza, G., Del Bondio, A., Citterio, A., Vezzulli, P., Guerrieri, S., et al. (2021) U-fiber leukoencephalopathy due to a novel mutation in the TACO1 gene, Neurol. Genet., 7, e573, doi: 10.1212/nxg.0000000000000573.

24. Szklarczyk, R., Wanschers, B. F. J., Cuypers, T. D., Esseling, J. J., Riemersma, M., et al. (2012) Iterative orthology prediction uncovers new mitochondrial proteins and identifies C12orf62 as the human ortholog of COX14, a protein involved in the assembly of cytochrome c oxidase, Genome Biol., 13, R12, doi: 10.1186/gb-2012-13-2-r12.

25. Moyer, A. L., and Wagner, K. R. (2015) Mammalian Mss51 is a skeletal muscle-specific gene modulating cellular metabolism, J. Neuromuscul. Dis., 2, 371-385, doi: 10.3233/JND-150119.

26. Fujita, R., Yoshioka, K., Seko, D., Suematsu, T., Mitsuhashi, S., et al. (2018) Zmynd17 controls muscle mitochondrial quality and whole-body metabolism, FASEB J., 32, 5012-5025, doi: 10.1096/fj.201701264R.

27. Rovira Gonzalez, Y. I., Moyer, A. L., LeTexier, N. J., Bratti, A. D., Feng, S., et al. (2019) Mss51 deletion enhances muscle metabolism and glucose homeostasis in mice, JCI Insight, 4, e122247, doi: 10.1172/jci.insight.122247.

28. Rovira Gonzalez, Y. I., Moyer, A. L., LeTexier, N. J., Bratti, A. D., Feng, S., et al. (2021) Mss51 deletion increases endurance and ameliorates histopathology in the mdx mouse model of Duchenne muscular dystrophy, FASEB J., 35, e21276, doi: 10.1096/fj.202002106RR.

29. Chicherin, I. V., Baleva, M. V., Levitskii, S. A., Dashinimaev, E. B., Krasheninnikov, I. A., and Kamenski, P. (2020) Initiation Factor 3 is dispensable for mitochondrial translation in cultured human cells, Sci. Rep., 10, doi: 10.1038/s41598-020-64139-5.

30. Shan, Q., Wang, Y., Li, J., Zhang, Y., Chen, K., et al. (2013) Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system, Nat. Biotechnol., 31, 686-688, doi: 10.1038/nbt.2650.

31. Wittig, I., Braun, H.-P., and Schägger, H. (2006) Blue native PAGE, Nat. Protoc., 1, 418-428, doi: 10.1038/nprot.2006.62.

32. Jha, P., Wang, X., Auwerx, J. (2016) Analysis of mitochondrial respiratory chain supercomplexes using blue native polyacrylamide gel electrophoresis (BN-PAGE), in Curr. Protoc. Mouse Biol., John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, pp. 1-14, doi: 10.1002/9780470942390.mo150182.

33. Schafer, E., Seelert, H., Reifschneider, N. H., Krause, F., Dencher, N. A., and Vonck, J. (2006) Architecture of active mammalian respiratory chain supercomplexes, J. Biol. Chem., 281, 15370-15375, doi: 10.1074/jbc.M513525200.

34. Kuzmenko, A., Atkinson, G. C., Levitskii, S., Zenkin, N., Tenson, T., et al. (2014) Mitochondrial translation initiation machinery: conservation and diversification, Biochimie, 100, 132-140, doi: 10.1016/j.biochi.2013.07.024.

35. 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, doi: 10.1016/j.bbamcr.2012.03.007.