Содержание
Учёные из Виргинского политехнического института впервые точно установили, как запускается белок AMPK — главный энергетический «переключатель» в мышечных клетках. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. С помощью принципиально нового подхода с генным редактированием учёные доказали: чтобы мышцы нормально вырабатывали энергию при нагрузке, достаточно изменить всего одну крошечную деталь в одном белке. А ещё оказалось, что этот же механизм нарушается при диабете — а значит, может стать мишенью для новых лекарств.
AMPK как энергетический сенсор мышц
Когда мы бегаем, поднимаем тяжести или просто активно двигаемся, мышцы быстро расходуют свой запас «топлива» — молекул АТФ. Клетка это чувствует: в ней накапливаются «разряженные батарейки» (молекулы АМФ). Они прикрепляются к белку AMPK и меняют его форму. Благодаря этому открывается доступ к особому участку белка — аминокислоте треонину-172. Специальные ферменты-помощники (LKB1 и CaMKKβ) активируют этот участок, присоединяя к нему химическую метку — фосфатную группу. После этого активность AMPK взлетает более чем в тысячу раз.
Включённый AMPK даёт клетке команду: «Нужно больше энергии!» В ответ она наращивает число митохондрий — микроскопических «электростанций», которые превращают пищу в топливо-АТФ. Чем их больше — тем выносливее мышцы.
Учёные изучали роль AMPK десятилетиями, но все предыдущие эксперименты строились на грубом методе: у мышей просто удаляли ген, кодирующий одну из частей белка. Проблема в том, что при таком удалении весь белковый комплекс разваливался — другие его части начинали вести себя непредсказуемо, компенсируя потерю. Было невозможно понять: нарушения вызваны именно отсутствием «включения» AMPK — или тем, что разрушена вся его конструкция? Из-за этого результаты разных лабораторий противоречили друг другу.
Пилатес или йога: что лучше выбрать в зависимости от ваших целей и здоровьяТочечная замена одной аминокислоты
Команда учёных из института биомедицинских исследований Фралина пошла другим путём. С помощью технологии генного редактирования они не удалили ген, а лишь точечно заменили один «кирпичик» в белке: вместо треонина-172 поставили аланин — похожую аминокислоту, к которой фосфатная метка просто не может прикрепиться. Замену проводили отдельно для двух разновидностей каталитической части белка: α1 и α2.
Ключевое преимущество такого подхода: сам белок AMPK остаётся на месте, его форма не нарушена, все соседние белки тоже в порядке. Изменена только одна точка — та самая «кнопка включения». Это позволяет однозначно сказать: всё, что мы наблюдаем, вызвано именно тем, что белок перестал активироваться. Эти результаты не только углубляют наше понимание того, как физическая нагрузка влияет на метаболическое здоровье, но и открывают новые направления для исследований.
Результаты эксперимента на мышах
Замена в разновидности α1 практически ни на что не повлияла — и это логично, потому что в мышцах основную работу выполняет разновидность α2.
А вот мыши с «выключенным» α2-вариантом AMPK пострадали серьёзно. Они пробегали лишь около трети того расстояния, которое осиливали обычные мыши. У них выросла доля жира по отношению к мышечной массе. А главное — их митохондрии, клеточные «электростанции», работали с перебоями: они не могли выйти на полную мощность, когда мышцы этого требовали.
Так было получено прямое доказательство: чтобы митохондрии в мышцах работали нормально, белок AMPK (а точнее, его α2-версия) должен быть активирован через фосфорилирование треонина-172.
Иммунитет кишечника и пищевая аллергия на белок: как формируется толерантностьМультиомный анализ
Первый автор исследования провёл масштабный анализ белков и обменных процессов в мышцах — в покое, после 10 минут бега и в момент полного истощения. Помимо ожидаемого снижения работы «электростанций» (комплексы I и IV электрон-транспортной цепи, цитохром c), оказалось, что «выключение» AMPK затронуло множество других процессов: мышечное сокращение, расщепление глюкозы, передачу сигналов инсулина и пути клеточного роста. На молекулярном уровне через 10 минут бега изменились 10 точек фосфорилирования в белках, а к моменту истощения — уже 194.
Особенно интересной оказалась находка с ферментом креатинкиназой (Ckm) — он работает как курьерская служба, доставляющая энергию от митохондрий к мышечным волокнам. У обычных мышей при нагрузке этот «курьер» активировался, а у мутантных — нет. То, что креатинкиназа зависит от AMPK, стало принципиально новым открытием. Данные указывают на то, что AMPK важен не только для поддержания количества митохондрий, но и для регуляции других процессов, ведущих к митохондриальному метаболизму и регуляции белковых функций мышечного сокращения.
У мутантных мышей обнаружилась ещё одна проблема: их мышцы слишком рано переключались на «аварийный» источник энергии — расщепление глюкозы без участия кислорода (гликолиз). Этот способ даёт энергию быстро, но очень мало — он в разы менее эффективен, чем нормальная работа митохондрий. Одновременно основной путь производства энергии с участием кислорода — цикл Кребса — был подавлен. Мышцы мутантов, по сути, работали на «запасном генераторе» вместо полноценной «электростанции» — этим и объясняется их резко сниженная выносливость.
Как самостоятельно помочь себе при депрессии, если нет сил и энергииПересечение с диабетом
Учёные сравнили молекулярные данные мутантных мышей с данными пациентов, страдающих диабетом 2-го типа (использовались два независимых набора данных). Совпали 17 белков, и все они оказались связаны с тремя ключевыми этапами энергообеспечения клетки: доставкой «сырья» в митохондрии (белки Nnt, Acsl1, Slc25a12, Dlat), работой самих «электростанций» и транспортировкой готовой энергии к мышечным волокнам (Ckmt2, Slc25a4). Именно последний этап — «логистика» готовой энергии — оказался наиболее нарушен и у мышей, и у пациентов с диабетом, что указывает на его особую важность для медицины.
Это указывает на то, что если мы будем прицельно воздействовать на AMPK с помощью лекарственных препаратов, мы сможем помочь пациентам с диабетом.
Размышления
В мышцах существуют две разновидности каталитической части AMPK — α1 и α2. Но именно последний играет главную роль: комплексы с этой разновидностью (преимущественно α2β2γ3) активнее всего активируются при физической нагрузке. Разновидность α1 тоже присутствует, но её вклад значительно скромнее.
Предыдущие работы, опубликованные в 2021 году в журнале PNAS, показали, что α2-версия обладает более высокой ферментативной активностью во всех отделах клетки. Поэтому логично, что именно её «выключение» приводит к самым тяжёлым последствиям для энергетики мышц.
