ИСТИНА

Митохондрии играют важнейшую роль в жизнедеятельности эукариотической клетки: их основной функцией является клеточное дыхание, то есть биосинтез АТФ в ходе окислительного фосфорилирования. За данный процесс, в основном, отвечает так называемая дыхательная цепь, то есть набор макромолекулярных комплексов, локализованных во внутренней мембране органелл. Всего существует 5 дыхательных комплексов. Ранее считалось, что эти комплексы физически не взаимодействуют друг с другом, однако в последнее десятилетие у разных организмов были описаны так называемые респирасомы – ассоциаты отдельных дыхательных комплексов с различной стехиометрией, зависящей от типа клеток. Показано также, что формирование респирасом из мономерных комплексов дыхательной цепи играет критически важную роль для нормальной функции митохондрий, однако молекулярные механизмы, лежащие в основе образования этих структур, на сегодня остаются загадкой. Также неизвестно, имеет ли место какая-либо регуляция этого процесса. Белок СОХ6 представляет собой шестую субъединицу четвертого комплекса дыхательной цепи (цитохромоксидазы, или комплекса IV). Этот белок играет важнейшую роль в структурно-функциональной организации митохондриальной дыхательной цепи. Комплекс IV входит во все известные респирасомы, чаще всего в виде димера. Субъединица СОХ6 находится в месте контакта двух мономеров комплексов IV и модулирует стабильность димера. В геноме человека закодированы две различные изоформы белка СОХ6: СОХ6А1 и СОХ6А2. Эти изоформы характеризуются тканеспецифичной экспрессией. Так, СОХ6А1 была обнаружена во всех органах и тканях человека, кроме скелетных мышц. Напротив, СОХ6А2 была найдена именно в скелетных мышцах, а также в сердце. В зависимости от того, какая из двух изоформ СОХ6 (А1 или А2) входит в состав комплекса IV в клетках сердца, он существует в мономерном или димерном состоянии. Так, СОХ6А2 способствует димеризации четвертого комплекса дыхательной цепи и последующему формированию респирасом. Напротив, СОХ6А1 уменьшает стабильность димеров комплекса IV и способствует их диссоциации на мономеры, что делает сборку респирасом менее эффективной. До сих пор считалось, что изоформа СОХ6А2 встречается только в сердце и скелетных мышцах. Однако, недавно мы с нашими коллегами из Копенгагенского университета (Дания) показали, что небольшая часть ингибиторных нейронов коры головного мозга также содержит СОХ6А2. Ингибиторные нейроны составляют 20-25% от всех нейронов коры головного мозга, при этом они сильно отличаются друг от друга по форме, размеру, взаимосвязи с другими нейронами и генной экспрессии. Учитывая огромное разнообразие видов этих нейронов, можно смело предполагать большое количество генов и транскрипционных факторов, управляющих их дифференцировкой. В данной работе мы планируем изучить влияние генов СОХ6А1 и СОХ6А2 на дифференцировку ингибиторных нейронов коры головного мозга, а также на митохондриальную функцию данных клеток.

Mitochondria are essential organelles of eukaryotic cell responsible for cellular respiration, producing ATP via oxidative phosphorylation. It is carried out by means of mitochondrial respiration chain composed of several macromolecular complexes localized in the inner membrane. The chain comprises five complexes. Earlier they were not supposed to be physically linked with each other, but recently respiratory chain complexes were shown to form respirasomes – large associations composed of individual respiratory complexes with various tissue-specific stoichiometry. Respirasomes are known to be crucial for normal mitochondrial functioning; however, molecular mechanisms of their formation and regulation of this process remain a mystery. Cox6 is a 6-th subunit of cytochrome c oxidase (complex IV). This protein plays significant role in structural and functional organization of mitochondrial respiratory chain. Complex IV was found in respirasomes almost only in dimeric state with Cox6 positioned in the contact site of two monomeric complexes and forming a molecular bridge between them. Due to its location and according to structural studies, Cox6 was suggested to regulate the stability of complex IV dimer. Human genome encodes two different isoforms of Cox6 with a separate gene: Cox6A1 and Cox6A2. These isoforms are characterized by tissue-specific gene expression. Thus, Cox6A1 was found in all human organs and tissues except skeletal muscles, whereas Cox6A2 only in skeletal muscles and heart. So, both isoforms are expressed in human heart cells. The choice of either isoform defines the stoichiometry of complex IV in the respiratory chains of cardiomyocytes. Thus, inclusion of Cox6A2 drives cytochrome c oxidase to dimeric state with subsequent incorporation in respirasome supercomplexes. On contrary, Cox6A1 reduces the stability of complex IV dimers and favors their dissociation on monomers making respirasome formation less efficient. So far, Cox6A2 was found only in cardiomyocytes and skeletal muscles. However, recently our scientific group in collaboration with our colleagues in the University of Copenhagen have demonstrated that a minor part of inhibitory neurons of cerebral cortex also contains Cox6A2. Inhibitory neurons comprise 20-25% of all neurons in cerebral cortex. These cells are significantly variant in size, shape, interconnectivity and gene expression. Taking into account the remarkable diversity of inhibitory neurons, one can suggest precise regulation of their differentiation pathways, involving multiple genes and transcription factors regulating this process. This project aims to study the role of COX6A1 and COX6A2 genes in the differentiation of inhibitory neurons of cerebral cortex and mitochondrial function of these cells.

В результате предложенного исследования ожидается получить принципиально новые данные о роли генов СОХ6А1 и СОХ6А2 в работе митохондрий и, возможно, в дифференцировке нейронов, имеющие высокую значимость для науки. Результаты проекта могут послужить основой для разработки способов направленной дифференцировки нейрональных стволовых клеток и управления функциями нейронов. Кроме того, в довольно свежей работе (Tamiya и др., 2014) опубликованной в Американском Журнале Генетики Человека (Am. J. Hum. Gen.), было показано, что мутации в гене COX6A1 являются одной из причин развития болезни Шарко-Мари-Тута (тип D), тяжелого наследственного заболевания, характеризующегося повреждением двигательных и периферических нервов и последующей утратой мышечной ткани. Мы надеемся, что наше исследование поможет лучше понимать причины возникновения данной болезни у людей и тем самым приблизиться к разработке инновационных методов лечения.

На сегодняшний день считается, что изоформа Cox6A2 экспрессируется исключительно в клетках поперечно-полосатой и сердечной мускулатуры. Эта точка зрения основана на одном единственном исследовании (Taanman et al., 1993). В противовес этому, в нашей научной группе совместно с нашими коллегами из университета Копенгагена (Дания) были получены экспериментальные данные, свидетельствующие в пользу нахождения Cox6A2 в ингибиторных нейронах коры головного мозга (методами RNA-seq и иммуногистохимическими методами; неопубликованные данные). Помимо этого, у руководителя проекта имеется внушительный методологический опыт, связанный с исследованием молекулярных основ работы митохондрий и с геномными манипуляциями, что подтверждено публикациями.