Rola ludzkiej PNPazy w mitochondrialnym metabolizmie RNA

Mitochondria, pełniące rolę małych „elektrowni”, są niezbędne dla niemal każdej ludzkiej komórki do prawidłowego funkcjonowania. Zaburzenia pracy tych organelli wiążą się z licznymi schorzeniami, między innymi z chorobami nowotworowymi i neurodegeneracyjnymi, oraz nieprawidłowymi reakcjami zapalnymi. Niektóre potrzebne mitochondriom do prawidłowego działania białka muszą zostać do nich zaimportowane. Jednym z takich białek jest fosforylaza polinukleotydowa (hPNPaza), występujący u wielu organizmów enzym degradujący RNA. Zmutowane warianty hPNPazy znajdowane są u ludzi z różnymi zaburzeniami, głównie neurologicznymi, co podkreśla znaczenie tego białka w regulacji metabolizmu mitochondriów. Część PNPazy zlokalizowana jest w macierzy mitochondrialnej, gdzie współdziała z innym białkiem, helikazą Suv3, w niszczeniu zbędnego RNA. Jednakże większość ludzkiej PNPazy znajduje się w przestrzeni międzybłonowej mitochondriów (IMS), obszarze pomiędzy dwiema membranami otaczającymi macierz mitochondrialną, gdzie jej rola jest zagadkowa.
dr Katarzyna Bandyra, fot. Michał Łepecki

Z PNPazą zaznajomiona jestem od dawna, gdyż badałam funkcje tego enzymu w bakteriach. Od wielu lat znana jest rola PNPazy w degradacji i procesowaniu bakteryjnego RNA. Natomiast ja odkryłam, że bakteryjna PNPaza może tworzyć kompleks z innym białkiem i RNA, przez co jej funkcja zmienia się o 180 stopni i zamiast degradować RNA zaczyna go  chronić. W ten sposób jeden enzym, którego podstawową funkcją jest niszczenie RNA, w określonych warunkach działa również jako jego białko opiekuńcze. Ludzka i bakteryjna PNPaza są bardzo podobne pod względem sekwencji i struktury, więc istnieje możliwość, że mają podobne funkcje.

W moich badaniach koncentruję się na zrozumieniu funkcji ludzkiej PNPazy w przestrzeni międzybłonowej mitochondriów, kierując się hipotezą, że ludzka PNPaza mogłaby chronić RNA podobnie jak bakteryjna, co byłoby możliwym wyjaśnieniem jej roli w IMS. Przełączenie aktywności hPNPazy mogłoby następować w obecności specjalnego rodzaju RNA, którego hPNPaza nie mogłaby zniszczyć, lub innego białka i RNA, podobnie jak to przebiega u bakterii, natomiast w macierzy mitochondrialnej hPNPaza współdziałając z białkiem Suv3 degradowałaby RNA. W ten sposób poprzez fizyczne rozdzielenie puli hPNPazy w dwóch różnych lokalizacjach te dwie jej aktywności mogłyby wspomagać optymalne funkcjonowanie mitochondriów.

dr Katarzyna Bandyra, fot. Michał Łepecki
W celu sprawdzenia, czy ludzka PNPaza może pełnić dwie różne funkcje w mitochondriach, przeprowadzam eksperymenty z zakresu biochemii, biofizyki oraz biologii molekularnej i strukturalnej. Ich celem jest określenie, czy poza degradacją RNA hPNPaza funkcjonuje jako białko regulatorowe zależne od RNA, które chroni RNA np. podczas transportu do czy z mitochondriów. Poza analizą właściwości samej hPNPazy, opracowuję metodę uzyskania informacji o innych białkach i cząsteczkach RNA oddziałujących z hPNPazą bezpośrednio w komórkach ludzkich. W tym celu izoluję mitochondria i rozdzielam je na frakcje, które odpowiadają IMS lub macierzy, a następnie przeprowadzam eksperymenty typu pull-down aby porównać partnerów białkowych i RNA hPNPazy w różnych lokalizacjach. Ponadto będę analizować zidentyfikowane białka i RNA in vitro pod kątem tworzenia kompleksów z hPNPazą, a najbardziej stabilne kompleksy zostaną zbadane przy użyciu mikroskopii krioelektronowej, techniki, która pozwala uzyskać precyzyjną trójwymiarową strukturę analizowanych próbek. Badania te pomogą zrozumieć rolę ludzkiej PNPazy w przestrzeni międzybłonowej mitochondriów i stanowią wstęp do długoterminowego planu badań, który być może przyczyni się do rozwoju terapii genowych chorób mitochondrialnych.