Ранее исследования клеток, мышей и биоматериала космонавтов уже демонстрировали, что космический полет повреждает митохондрии и приводит к их «рассинхронизации». Ученые знали, что в невесомости меняется активность генов, в частности, этап транскрипции, когда ДНК переписывается в РНК. Но о том, что происходит на следующем этапе — трансляции, когда рибосомы по матричной РНК синтезируют белки, до сих пор было известно очень мало.
Группа ученых под руководством Шинтаро Ивасаки из института RIKEN (Япония) решила сосредоточиться именно на этом этапе деления клеток. С помощью космонавтов на МКС они выращивали человеческие клетки в лабораторном модуле станции в условиях микрогравитации в течение 24 или 48 часов. В то же время контрольные образцы культивировались в центрифуге, которая позволяла создать «искусственную» земную гравитацию. После завершения эксперимента все клетки были заморожены и доставлены на Землю для анализа.
Оказалось, что уже через сутки в невесомости в клетках снижалось количество митохондриальной мРНК, а митохондриальные рибосомы синтезировали меньше белков по сравнению с клетками из контрольной группы. Похожий, хотя и менее выраженный эффект наблюдали у личинок нематод Caenorhabditis elegans, которые в течение четырех дней выращивались на МКС: у «космических» червей митохондриальная трансляция тоже была угнетена по сравнению с червями, которые провели это же время в центрифуге.
Чтобы уточнить механизм, ученые воспроизвели условия пониженной гравитации на Земле с помощью клиностата — устройства, вращающего образцы так, что вектор гравитации для клетки постоянно меняется и «усредняется» до почти нулевого. После 24 часов в клиностате митохондрии в человеческих клетках производили меньше 13 ключевых белков; при продолжении вращения до 48 и 72 часов синтез снижался еще сильнее.
Дальнейшие эксперименты заставили ученых обратить внимание на роль клеточной адгезии — способности клеток крепко связываться друг с другом и с внеклеточным матриксом через белки на поверхности. В микрогравитации эти механические связи ослабевают, что меняет силы, действующие на клетку. Ивасаки и коллеги добавляли к культурам мышиных и человеческих клеток белки, поддерживающие адгезию, перед помещением в клиностат. В таких условиях митохондриальный синтез белка возвращался к норме. Напротив, вещества, которые блокировали важные для адгезии процессы, подавляли митохондриальную трансляцию и снижали потребление кислорода митохондриями — это прямой признак ухудшения их работы.
Получается, что гравитация влияет на митохондрии опосредованно: через механические силы, которые клетки испытывают, будучи прикрепленными к соседям и окружающей ткани. Когда эти силы исчезают или сильно изменяются, как в невесомости, нарушается передача сигналов, и митохондрии «сбавляют обороты» по части белкового синтеза.
Понимание этих процессов важно для космической медицины. Митохондрии критически важны для энергетического обмена мышечной ткани, нервной и сердечно‑сосудистой систем — тех самых органов, которые особенно страдают у космонавтов при длительных полетах: развивается мышечная атрофия, остеопороз, утомляемость. Понимание конкретного молекулярного пути — от утраты механической нагрузки и адгезии до митохондриальной дисфункции — открывает возможность целенаправленно вмешиваться в этот процесс.
Авторы работы уже ищут малые молекулы и лекарственные препараты, способные активировать митохондриальную трансляцию. Если такие средства удастся найти, они могут пригодиться не только в космосе, но и на Земле — например, для лечения саркопении, возрастной потери мышечной массы и силы. Затем нужно будет проверить, проявляются ли те же изменения в митохондриальном белковом синтезе в образцах, собранных у реальных космонавтов во время и после полетов, и можно ли их целенаправленно скорректировать.
Ранее ученые обнаружили белковый ключ к замедлению старения.