БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 3, с. 299 - 306

УДК 577.2

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА В МИТОХОНДРИЯХ:

ПРОСТОТА В ПРОШЛОМ, СОВЕРШЕНСТВО СЕЙЧАС,

НЕИЗВЕСТНОСТЬ В БУДУЩЕМ

Обзор

С.А. Левицкий, М.В. Балева, И.В. Чичерин,

И.А. Крашенинников, П.А. Каменский*

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет,

119234 Москва, Россия; электронная почта: peter@protein.bio.msu.ru

Поступила в редакцию 06.11.2019

После доработки 06.12.2019

Принята к публикации 09.12.2019

Митохондрии являются облигатными органеллами большинства эукариотических клеток и выполняют

большое количество разнообразных функций, имеющих ключевое значение для клеточного гомеостаза. Ос$

новной функцией митохондрий является обеспечение клеток энергией в виде АТФ, синтезируемой в ре$

зультате комплекса реакций окислительного фосфорилирования, осуществляемого на внутренней митохон$

дриальной мембране. Имеющие эндосимбиотическое происхождение, митохондрии в ходе эволюции утра$

тили большую часть генетического материала своего предка в результате редукции генома и переноса зна$

чительной части генов в ядро. Большинство митохондриальных белков синтезируются в цитозоле и импор$

тируются в митохондрии. Тем не менее практически все современные митохондрии обладают собственным

геномом, а также системами его поддержания, транскрипции и белкового синтеза. Процесс биосинтеза бел$

ка в митохондриях - митохондриальная трансляция - существенно отличается от такового у прокариот и у

эукариот, демонстрируя высокую степень специализации и специфической регуляции. В данном обзоре мы

рассмотрим известные на сегодняшний день данные об общих принципах регуляции митохондриальной

трансляции, уделив особое внимание молекулярным механизмам инициации биосинтеза белка у дрожжей

и млекопитающих.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, трансляция, инициация, фактор трансляции, фактор инициации.

DOI: 10.31857/S032097252003001X

Митохондрии являются важнейшими орга$

различных групп эукариот утратили значитель$

неллами практически всех эукариотических кле$

ную часть генетического материала прокариоти$

ток, основной функций которых является обес$

ческого предшественника, сохранив лишь от$

печение клеток энергией в виде АТФ, синтезиру$

дельные части предкового генома. Протеом со$

емой в результате реакций окислительного фос$

временных митохондрий в подавляющем боль$

форилирования. Помимо этого, митохондрии

шинстве составляют белки, кодируемые в ядре,

принимают участие в биосинтезе FeS$кластеров,

синтезируемые в цитоплазме и импортируемые в

метаболизме аминокислот и нуклеотидов, син$

митохондрии [3]. Митохондриальные геномы

тезе липидов, стероидов, регуляции программи$

современных эукариот в большинстве случаев

руемой смерти клеток [1]. Согласно общеприня$

существенно меньше бактериальных и несут

той эндосимбиотической теории, митохондрии

сравнительно небольшой набор генов. В силу

имеют экзогенное происхождение от прокарио$

значительной дивергенции число и состав мито$

тического предшественника, сходного с альфа$

хондриальных генов у разных групп эукариот

протеобактериями [2]. При этом митохондрии

значительно разнится. Наименьшим по размеру

являются полуавтономными органеллами - в

митохондриальным геномом (~6000 п.о.) обла$

ходе миллиардов лет эволюции митохондрии

дает малярийный плазмодий Plasmodium falci'

parum, в то время как суммарный размер много$

Принятые сокращения: fMet$тРНК - формилмети$ хромосомной митохондриальной ДНК розоц$

ониновая аминоацил$тРНК, мтIF2 и мтIF3 - митохондри$

ветного растения Silene conica превышает 10

альные второй и третий факторы инициации трансляции

соответственно, 5′$НТО - 5′$нетранслируемая область

миллионов пар оснований [4, 5].

мРНК.

У пекарских дрожжей в состав митохондри$

* Адресат для корреспонденции.

ального генома входят гены рибосомных РНК,

299

300

ЛЕВИЦКИЙ и др.

полный набор тРНК, а также гены 8$ми белков,

Несмотря на общность принципа декодирова$

7 из которых являются коровыми гидрофобны$

ния мРНК и синтеза белка, структуры и меха$

ми компонентами комплексов электрон$транс$

низмы работы рибосом различаются не только

портной цепи и АТФ$синтазы, а один - Var1p -

между прокариотами и эукариотами, но и меж$

рибосомным белком [6]. В геномах митохон$

ду бактериями и археями [10]. Аналогичным об$

дрий млекопитающих, помимо генов рРНК и

разом, несмотря на принципиальное сходство,

тРНК, имеются гены 13 белков, являющихся

не менее значимы отличия в структуре митохон$

компонентами комплексов системы окисли$

дриальных рибосом и в принципах регуляции

тельного фосфорилирования [7]. В то же время у

митохондриальной трансляции различных

простейших группы якобид, имеющих самое

групп организмов. Долгое время митохондри$

большое из известных организмов число мито$

альная трансляция оставалась своего рода terra

хондриальных генов, в митогеноме, помимо ге$

incognita в молекулярной биологии, поскольку с

нов рРНК, тРНК и компонентов электрон$

момента обнаружения этого феномена предпо$

транспортной цепи, закодировано несколько

лагалось, что биосинтез белка в митохондриях

рибосомных белков, четырехсубъединичная

аналогичен таковому у бактерий. Однако функ$

РНК$полимераза, редуцированная транспорт$

циональные и, в особой степени, структурные

но$матричная РНК, РНК$компонент РНКазы P,

исследования последнего десятилетия сущест$

а также несколько факторов сборки комплексов

венно приумножили знания в этой области

цепи окислительного фосфорилирования [8].

[11-13]. Сегодня очевидно, что биосинтез белка

При этом значительную степень эволюционной

в митохондриях обладает рядом черт, принци$

дивергенции подчеркивает тот факт, что коли$

пиально отличающих его от аналогичных про$

чество митохондриальных генов у разных эука$

цессов как у бактерий, так и в цитозоле эукари$

риот не коррелирует с размерами митохондри$

отических клеток. В наибольшей степени изуче$

альных геномов. Например, содержащий 37 ге$

ны процессы митохондриальной трансляции в

нов митохондриальный геном человека имеет

клетках S. cerevisiae и млекопитающих.

размер 16 569 п.о., а геном митохондрий Sac'

В первую очередь следует отметить, что в

charomyces cerevisiae, содержащий приблизи$

настоящее время не ставится под сомнение бак$

тельно то же число генов, обладает размером

териальное происхождение миторибосом [14].

~80 000 п.о., аналогичным размеру митохондри$

При этом митохондриальные рибосомы в эво$

ального генома упоминавшихся выше якобид,

люционном плане существенно отдалились от

содержащего ~70 генов [6-8]. Не меньшие раз$

бактериальных предшественников как по

личия между митохондриями различных эука$

пространственной структуре, так и по составу

риот выявлены и в системах экспрессии генов -

рибосомных РНК и рибосомных белков. Бурное

транскрипции и трансляции.

развитие методов криоэлектронной микроско$

В данном обзоре описаны последние дости$

пии в последние годы позволило разрешить

жения в исследованиях биосинтеза белка в ми$

структуры митохондриальных рибосом многих

тохондриях дрожжей и млекопитающих, деталь$

организмов (Trypanosoma brucei [15], S. cerevisiae

но останавливаясь на механизмах регуляции

[16], Sus scrofa [12], Homo sapiens [11], Arabidopsis

инициации трансляции. Наш обзор не претен$

thaliana [17] и Brassica oleracea var. botrytis [18]).

дует на всеобъемлющее описание известных

Сравнение этих структур показало, что митори$

фактов о митохондриальной трансляции, но в

босомы различных групп эукариот хоть и значи$

большей степени направлен на обсуждение име$

тельно отличаются друг от друга, но имеют об$

ющихся противоречий и предложение новых

щие черты. В первую очередь митохондриаль$

концепций в исследовании этого процесса.

ные рибосомы, в сравнении с бактериальными и

цитоплазматическими, характеризуются суще$

ственно более высоким содержанием белка от$

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

носительно РНК, вставками и делециями в

БИОСИНТЕЗА БЕЛКА В МИТОХОНДРИЯХ

рРНК, а также целым рядом особых, специфич$

ных для митохондриальных рибосом, белков.

Биосинтез белка осуществляется молекуляр$

По всей видимости, это связано с частичным за$

ными машинами, рибосомами, считывающими

мещением функций РНК белками, а также спе$

генетическую информацию мРНК и катализи$

циализацией митохондриальной трансляции к

рующими соединение аминокислот пептидны$

синтезу ограниченного числа гидрофобных бел$

ми связями [9]. Рибосомы состоят из двух субъ$

ков, котрансляционно встраивающихся во внут$

единиц, малой и большой. Малая субъединица

реннюю мембрану митохондрий в составе ком$

осуществляет декодирование мРНК, а большая

плексов цепи окислительного фосфорилирова$

катализирует синтез полипептидной цепи.

ния [19]. Системы биосинтеза белка в митохон$

БИОХИМИЯ том 85 вып. 3 2020

ЭВОЛЮЦИЯ МИТОТРАНСЛЯЦИИ

301

дриях строго взаимосвязаны с биосинтезом ми$

второй кодон, ожидающий прихода декодирую$

тохондриальных белков в цитозоле, что являет$

щей его аминоацил$тРНК. Факторы инициации

ся необходимым условием для корректной сбор$

IF1 и IF2 считаются универсальными и консер$

ки комплексов цепи окислительного фосфори$

вативными, поскольку их функциональные и

лирования [20]. Далее, мы рассмотрим извест$

структурные гомологи обнаружены у всех изу$

ные данные о регуляции трансляции в митохон$

ченных бактерий и архей [21].

дриях двух наиболее изученных систем, дрож$

Инициация трансляции в митохондриях

жей и млекопитающих, на наиболее поддаю$

изучена в существенно меньшей степени. В пер$

щейся регулированию стадии этого процесса -

вую очередь это относится к роли и функциям

инициации трансляции.

факторов инициации. Так, в митохондриях всех

исследованных организмов не обнаружен фак$

тор IF1, абсолютно универсален IF2, и практи$

PAST SIMPLE

чески универсален IF3 [22]. По всей видимости,

центральную роль в инициации трансляции в

Как уже говорилось, митохондриальная сис$

митохондриях выполняет митохондриальный

тема трансляции имеет бактериальное проис$

второй фактор инициации трансляции (мтIF2),

хождение, из чего логично предположить, что

функции которого мы подробно рассмотрим.

инициация биосинтеза белка в митохондриях

должна быть похожа на таковую у эубактерий.

Инициация бактериальной трансляции изучена

PRESENT PERFECT

в деталях. Процесс начинается с образования

30S инициаторного комплекса, в котором стар$

Фактор IF2 у бактерий представляет собой

товый кодон мРНК декодируется антикодоном

трансляционную ГТФазу, состоящую из шести

CAU инициаторной формилметиониновой

доменов (I-VI), где домен IV осуществляет гид$

аминоацил$тРНК (fMet$тРНК) в P$сайте малой

ролиз ГТФ, а домен VI непосредственно взаимо$

субъединицы рибосомы. В образовании иници$

действует с fMet$тРНК [23, 24]. Фактор IF2 осу$

аторного комплекса важнейшую роль играют

ществляет подбор инициаторной аминоацил$

три белковых фактора инициации - IF1, IF2 и

тРНК и способствует ассоциации субъединиц

IF3, каждый из которых абсолютно необходим

рибосомы при инициации трансляции, причем

для осуществления точной и эффективной ини$

вторая функция эволюционно консервативна у

циации трансляции. Все три фактора взаимо$

архей и эукариот. В отличие от бактерий, в ми$

действуют с участками 30S$субъединицы, вы$

тохондриях млекопитающих в инициации

полняя специфические функции. IF2 в ком$

трансляции участвует не особая инициаторная

плексе с ГТФ связывает fMet$тРНК, образуя

метиониновая тРНК, а та же тРНК, что исполь$

тройственный комплекс, после чего взаимодей$

зуется при включении метионина в ходе элонга$

ствует с 30S субъединицей. IF1, связанный с

ции [25]. Часть метиониновой аминоацил$

30S, препятствует вхождению аминоацил$тРНК

тРНК формилируется особым ферментом, по$

в А$сайт, а также увеличивает аффинность трой$

лучившаяся в результате этого fMet$тРНК обла$

ственного комплекса IF2 : ГТФ : fMet$тРНК к

дает высокой аффиностью к мтIF2 и низкой аф$

30S. IF3, будучи связанным с 30S, препятствует

финностью к митохондриальному фактору

ассоциации малой субъединицы с 50S, а также

элонгации EF$Tu. Такое двойное предназначе$

способствует точности узнавания стартового ко$

ние метиониновой тРНК также отмечено и в

дона fMet$тРНК в P$сайте. Комплексы 30S с

митохондриях T. brucei, где все тРНК, необходи$

IF1, IF3 и IF2 : ГТФ : fMet$тРНК связывают ко$

мые для миохондриальной трансляции не зако$

роткую полипуриновую последовательность в

дированы в геноме органеллы, а импортируются

5′$нетранслируемой области (5′$НТО) мРНК

из цитоплазмы[26].

(последовательность Шайна-Дальгарно) за счет

Сравнительно недавно было показано, что

наличия в 16S рРНК частично комплементар$

мтIF2 человека способен функционально ком$

ной последовательности, после чего происходит

пенсировать не только IF2, но и IF1 у Escherichia

узнавание стартового кодона антикодоном

coli, причем было продемонстрировано, что

fMet$тРНК, гидролиз ГТФ до ГДФ, диссоциа$

функцию IF1 выполняет сравнительно корот$

ция факторов инициации и ассоциация боль$

кий уникальный домен мтIF2 протяженностью

шой субъединицы. В результате, образуется 70S

37 а.о., расположенный между доменами II и III

инициаторный комплекс, представляющий со$

[27, 28]. В недавней работе Kummer et al. [29] с

бой ассоциированную рибосому, в P$сайте кото$

помощью криоэлектронной микроскопии была

рой на стартовом AUG$кодоне мРНК позицио$

разрешена структура комплекса мтIF2 с митохон$

нирована fMet$тРНК, а в A$сайте располагается

дриальной рибосомой свиньи. Авторам удалось

БИОХИМИЯ том 85 вып. 3 2020

302

ЛЕВИЦКИЙ и др.

подтвердить, что упомянутый выше 37$амино$

выраженных доменов (N$концевого и C$конце$

кислотный домен локализован в А$сайте малой

вого), соединенных линкерным α$спиральным

субъединицы, препятствует вхождению в него

участком [35]. Непосредственно с 16S рРНК ма$

аминоацил$тРНК и предотвращает скольжение

лой субъединицей рибосомы взаимодействует

рибосомы по мРНК, фактически выполняя

C$концевой домен, в то время как N$концевой

функции бактериального IF1. Кроме того, авто$

домен может принимать несколько конформа$

рам удалось показать, что мтIF2 не имеет непос$

ций и осуществляет взаимодействие с fMet$

редственных контактов с мРНК и не участвует в

тРНК [23]. Ряд экспериментов по делециям от$

ее привлечении к рибосоме. Для мРНК COX3

дельных участков IF3 показал, что изолирован$

было установлено, что в ее ассоциации с мито$

ный C$концевой домен может выполнять все

рибосомой принимает участие пентатрикопеп$

функции, характерные для полноразмерного

тидный (PPR) миторибосомный белок mS39,

IF3, в то время как N$концевой домен придает

расположенный в области входного туннеля

дополнительную прочность связыванию факто$

мРНК [29]. Таким образом, предполагается что

ра с рибосомой и тРНК [36].

во взаимодействии мРНК с митохондриальной

Митохондриальный третий фактор инициа$

рибосомой млекопитающих участвуют отдель$

ции трансляции (мтIF3) у млекопитающих,

ные белки самих миторибосом или же специа$

идентифицированный сравнительно недавно,

лизированные факторы трансляции.

имеет лишь незначительное сходство первичной

Значительно в меньшей степени исследован

структуры с бактериальным, однако структурно

митохондриальный IF2 пекарских дрожжей, ко$

схож с ним, отличаясь лишь наличием неболь$

дируемый геном IFM1. Несмотря на то что этот

ших N$ и C$концевых удлинений [37]. Ряд работ,

фактор был выявлен ~30 лет назад [30], его зна$

проведенных in vitro, указывают на то, что в ми$

чимых структурно$функциональных исследова$

тохондриях млекопитающих фактор инициации

ний практически не проводилось. Было проде$

IF3 обладает функциями, сходными с бактери$

монстрировано, что делеция гена этого фактора

альным аналогом. В частности, было продемон$

приводит к невозможности роста дрожжей на

стрировано, что мтIF3 способен диссоцииро$

несбраживаемых источниках углерода [30]. Кро$

вать митохондриальные рибосомы и при учас$

ме этого, в системе in vitro было показано, что

тии мтIF2 способствовать образованию инициа$

соответствующий рекомбинантный белок спо$

торного комплекса [37]. Также было показано,

собен образовывать тройственный комплекс с

что аналогично бактериальному IF3, мтIF3 мле$

ГТФ и fMet$тРНК, и мет$тРНК, который в при$

копитающих взаимодействует с миторибосомой

сутствии синтетической мРНК связывается с

преимущественно C$концевым доменом с неко$

30S субъединицей бактериальной рибосомы.

торым вкладом линкерного участка [38]. Кроме

Помимо этого, рекомбинантный дрожжевой

того, мтIF3 млекопитающих также обладает

мтIF2 способен гидролизовать ГТФ в составе та$

способностью дестабилизировать инициатор$

кого комплекса, а также предотвращать неэнзи$

ные комплексы, не содержащие мРНК или же

матеический гидролиз указанных тРНК [31].

содержащие некорректную тРНК, причем пос$

Тем не менее, строгая необходимость этого фак$

ледняя активность выражена существенно ни$

тора для инициации трансляции в митохондри$

же, чем у бактериального IF3 [39, 40]. При этом

ях дрожжей не показана.

важную роль в функционировании мтIF3 игра$

Бактериальный фактор инициации трансля$

ют упомянутые выше концевые удлинения: уда$

ции IF3 осуществляет две важные функции -

ление C$концевого удлинения приводило к не$

связывается с 30S субъединицей рибосомы пос$

способности фактора диссоциировать некоррек$

ле ее диссоциации в результате терминации

тные инициаторные комплексы, в то время как

трансляции, препятствуя ассоциации 30S и 50S,

делеция N$концевого удлинения существенно

а также участвует в селекции тРНК и мРНК при

увеличивала аффинность мтIF3 к 30S субъеди$

инициации нового раунда синтеза белка, специ$

нице [39, 40]. В опубликованной в 2019 году ра$

фически дестабилизируя некорректно образо$

боте Koripella et al. [41] была представлена раз$

вавшиеся кодон$антикодоновые пары [32, 33].

решенная с помощью криоэлектронной мик$

IF3 универсален и консервативен среди бакте$

роскопии структура комплекса мтIF3 с митохон$

рий, однако в митохондриях обнаружен не во

дриальной рибосомой. Оказалось, что в отличие

всех организмах [22]. В цитоплазме эукариот

от бактериального IF3, во взаимодействии с ми$

функции IF3 выполняет многосубъединичный

торибосомой принимают участие практически

фактор eIF3, не имеющий значимых гомологий

все структурные участки мтIF3, за исключением

с бактериальным IF3 [34].

C$концевого удлинения. Согласно данным мо$

Структурно бактериальный IF3 представляет

делирования, этот структурный элемент при

собой глобулярный белок, состоящий из двух

взаимодействии малой субъединицы миторибо$

БИОХИМИЯ том 85 вып. 3 2020

ЭВОЛЮЦИЯ МИТОТРАНСЛЯЦИИ

303

сомы с тройственным комплексом мтIF2 : ГТФ :

изученной областью, несмотря на значимые дос$

fMet$тРНК в отсутствие мРНК должен занимать

тижения последних лет. В наибольшей степени

P$сайт, предотвращая формирование инициа$

механизмы регуляции трансляции в митохон$

торного комплекса без матрицы [41]. В этой же

дриях изучены у S. cerevisiae. Яркой особен$

работе авторы указывают на возможную роль

ностью регуляции митохондриального синтеза

мтIF3 в привлечении мРНК к образующемуся

белка у этих организмов является уникальная

инициаторному комплексу.

система трансляционных активаторов - группы

Длительное время не удавалось идентифи$

белков, определяющих эффективность трансля$

цировать третий фактор инициации трансляции

ции той или иной митохондриальной мРНК,

в митохондриях S. cerevisiae. Однако ряд работ

взаимодействуя с имеющимися в них протяжен$

последних лет убедительно доказал, что таким

ными 5′$НТО, способными формировать вто$

фактором является белок Aim23p. С помощью

ричные структуры. Эта система подробно рас$

биоинформационного анализа было показано

смотрена в недавних обзорах [46, 47].

сходство его третичной структуры с мтIF3 мле$

Гораздо менее очевидны принципы регуля$

копитающих, было показано, что делецию ко$

ции биосинтеза 13 белков, закодированных в

дирующего его гена можно супрессировать с по$

митохондриальном геноме млекопитающих, все

мощью экспрессии генов мтIF3 человека и

из которых являются компонентами комплек$

Schizosacchromyces pombe [22]. Кроме этого, было

сов цепи окислительного фосфорилирования. В

продемонстрировано, что этот белок способен

первую очередь это связано со структурным от$

связываться с малой субъединицей митохондри$

личием митохондриальных мРНК млекопитаю$

альных рибосом дрожжей [42], а также с бакте$

щих - у них практически отсутствуют 5′$НТО

риальными рибосомами и вызывать их диссоци$

[48], что делает невозможным существование у

ацию. Причем, в случае бактериальных рибосом

этой группы организмов системы активаторов,

диссоциация происходила необычным обра$

сходной с дрожжевой. Тем не менее в митохон$

зом - связываясь с ассоциированными 70S ри$

дриях млекопитающих был выявлен единствен$

босомами, Aim23p взаимодействовал как с 30S,

ный на сегодняшний момент активатор транс$

так и с 50S субъединицами, при этом способ$

ляции, белок TACO1, определяющий эффек$

ствуя формированию промежуточного состоя$

тивность биосинтеза компонента цитохром c

ния диссоциации с коэффициентом седимента$

оксидазы COX1, однако механизм его действия

ции ~60S [43]. Кроме этого, также была показа$

до их пор остается невыясненным [49].

на важность N$ и C$концевых удлинений

Последние структурные исследования внесли

Aim23p: при удалении этих участков фактор те$

некоторую ясность в механизмы узнавания таких

рял свою функциональность, а добавление этих

«безлидерных» мРНК митохондриальными ри$

удлинений к IF3 E. coli делало получившийся

босомами [29]. С помощью криоэлектронной

гибридный белок полностью активным в мито$

микроскопии была разрешена структура собран$

хондриях дрожжей [44]. Однако самая интригу$

ного in vitro инициаторного комплекса митохон$

ющая особенность Aim23p - то, что он не явля$

дриальной рибосомы млекопитающих с мРНК

ется абсолютно необходимым для митохондри$

COX3. Было установлено, что инициация транс$

альной трансляции. Делеция кодирующего его

ляции этой мРНК во многом обусловлена взаи$

гена приводила лишь к снижению эффектив$

модействием уже упоминавшегося PPR$белка

ности биосинтеза митохондриально транслиру$

mS39 с U$богатой областью, расположенной за

емых белков COX1 и COX2, что фенотипически

седьмым кодоном мРНК и консервативной для

проявлялось в замедленной адаптации дрожжей

всех 11 мРНК митохондрий млекопитающих

к росту на несбраживаемых источниках углеро$

[29]. Эти данные тем не менее не объясняют, ка$

да, но не сказывалось на трансляции других ми$

ким образом определяется эффективность ини$

тохондриальных мРНК [45]. Этот факт крайне

циации трансляции той или иной мРНК.

удивителен в контексте того, что наличие IF3

абсолютно необходимо для бактериальной

трансляции.

FUTURE INDEFINITE

Как уже говорилось ранее, большая часть

митохондриальных генов кодирует компоненты

Переходя к заключительной дискуссионной

комплексов цепи окислительного фосфорили$

части нашего обзора, мы обобщим изложенные

рования. Исходя из этого, трансляция в митохон$

выше данные. Итак, ранее считалось, что в силу

дриях должна строго взаиморегулироваться с

не ставящегося под сомнение происхождения

трансляцией в цитозоле остальных субъединиц

митохондрий от бактериального предшествен$

этих комплексов, закодированных в ядре. Регу$

ника трансляция в этих органеллах организова$

ляция митотрансляции остается во многом не$

на сходным с прокариотами образом. Однако

БИОХИМИЯ том 85 вып. 3 2020

304

ЛЕВИЦКИЙ и др.

исследования последних 10-15 лет показали,

тезе крайне ограниченного круга гидрофобных

что, несмотря на общность происхождения, от$

белков, а также необходимости строгой регуля$

личия в системах биосинтеза белка в современ$

ции трансляции, факторы инициации утратили

ных прокариотах и митохондриях весьма значи$

свою универсальность и, фактически, стали ре$

тельны, причем не менее значимо различаются

гуляторами биосинтеза отдельных белков. Ко$

и системы митохондриальной трансляции раз$

нечно подобное предположение требует тща$

ных групп эукариот. В первую очередь, указан$

тельной проверки, например путем изучения

ные различия выражены в структуре митохонд$

митохондриальной трансляции в клетках с деле$

риальных рибосом и заключаются в специализа$

тированными генами факторов инициации

ции рибосом митохондрий к биосинтезу в ос$

трансляции в митохондриях, однако оно не про$

новном гидрофобных белков, закодированных в

тиворечит имеющимся на настоящий момент

митохондриальном геноме. Последним же, по

данным, поскольку все структурные и функцио$

всей видимости, обусловлены и возникшие в хо$

нальные исследования факторов инициации

де эволюции системы регуляции митохондри$

проведены in vitro, а единственная модель in vivo -

альной трансляции, наиболее изученной из ко$

делеция белка Aim23p, показала отсутствие не$

торых является система трансляционных акти$

обходимости в третьем факторе инициации для

ваторов митохондрий пекарских дрожжей. В

биосинтеза белка в митохондриях. Безусловно,

митохондриях млекопитающих отсутствие по$

это наблюдение может оказаться исключитель$

добной системы обусловлено принципиальным

ным случаем, характерным лишь для дрожже$

отличием в структуре мРНК - отсутствием

вой системы и именно этого фактора, но мы

5′$НТО. Тем не менее, существование системы

считаем важным и актуальным эксперименталь$

регуляции трансляции в митохондриях млеко$

но ответить на вопросы о необходимости факто$

питающих не ставится под сомнение, поскольку

ров инициации трансляции для биосинтеза ми$

эффективность биосинтеза митохондриально

тохондриальных белков, и в настоящее время

закодированных белков должна быть строго ко$

проводим соответствующие эксперименты. На$

ординирована с трансляцией других компонен$

шу гипотезу отчасти подтверждает опублико$

тов комплексов электрон$транспортной цепи в

ванная совсем недавно работа Rudler et al [51], в

цитозоле. Вероятно, одним из способов регуля$

которой было показано, что делеция гена орто$

ции митотрансляции является ее тесная связь с

лога Aim23p - мтIF3 - у мыши также приводит

процессом сборки комплексов на внутренней

не к остановке белкового синтеза в митохондри$

мембране митохондрий, однако такое объясне$

ях, а лишь к его количественной разбалансиров$

ние в большей степени относится к регуляции

ке.

скорости элонгации, нежели инициации.

В связи с этим весьма интересными выгля$

Финансирование. Написание данного обзора

дят данные, полученные в результате исследова$

стало возможным благодаря поддержке Рос$

ния митохондриальной трансляции дрожжей в

сийского научного фонда (грант № 17$14$

отсутствие третьего фактора инициации, кото$

01005), в рамках которого мы проверили неко$

рый оказывает весьма слабое влияние на био$

торые свои гипотезы на тему эволюции аппара$

синтез большинства транслируемых в митохон$

та митохондриальной трансляции. Исследова$

дриях белков [45]. Фактически, профиль мито$

ние выполнено при финансовой поддержке

трансляции при делеции Aim23p сходен с наб$

РФФИ в рамках научного проекта № 19$14$

людаемым при отсутствии трансляционных ак$

50206.

тиваторов соответствующих мРНК, например

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от$

активатора мРНК COX2, белка Pet111p [50]. В

сутствии конфликта интересов.

связи с этим, вполне возможно предположить,

Соблюдение этических норм. Настоящая

что в ходе эволюции митохондрий, приведшей к

статья не содержит каких$либо исследований с

утрате подавляющего большинства предковых

участием людей или использованием животных

генов, специализации митотрансляции на син$

в качестве объектов исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Spinelli, J.B., and Haigis, M.C. (2018) The multifaceted

Gray, M.W. (2015) Mosaic nature of the mitochondrial

contributions of mitochondria to cellular metabolism, Nat.

proteome: Implications for the origin and evolution of

Cell Biol., 20, 745-754.

mitochondria, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

112,

Gray, M.W. (2012) Mitochondrial evolution, Cold Spring

10133-10138, doi: 10.1073/pnas.1421379112.

Harb Perspect. Biol., 4, a011403, doi: 10.1101/cshperspect.

Feagin, J.E., Harrell, M.I., Lee, J.C., Coe, K.J., Sands, B.H.,

a011403.

Cannone, J.J., Tami, G., Schnare, M.N., and Gutell, R.R.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 3 2020

ЭВОЛЮЦИЯ МИТОТРАНСЛЯЦИИ

305

(2012) The fragmented mitochondrial ribosomal RNAs of

22.

Atkinson, G.C., Kuzmenko, A., Kamenski, P., Vysokikh,

plasmodium falciparum, PLoS One,

7, e38320,

M.Y., Lakunina, V., Tankov, S., Smirnova, E., Soosaar, A.,

doi: 10.1371/journal.pone.0038320.

Tenson, T., and Hauryliuk,. V (2012) Evolutionary and

Sloan, D.B., Alverson, A.J., Chuckalovcak, J.P., Wu, M.,

genetic analyses of mitochondrial translation initiation fac$

McCauley, D.E., Palmer, J.D., and Taylor, D.R. (2012)

tors identify the missing mitochondrial IF3 in S. cerevisiae,

Rapid evolution of enormous, multichromosomal genomes

Nucleic Acids Res., 40, 6122-6134, doi: 10.1093/nar/

in flowering plant mitochondria with exceptionally high

gks272.

mutation rates, PLoS Biol., 10, e1001241, doi: 10.1371/

23.

Julián. P., Milon. P., Agirrezabala, X., Lasso, G., Gil, D.,

journal.pbio.1001241.

Rodnina, M.V., and Valle, M. (2011) The cryo$EM struc$

Freel, K.C., Friedrich, A., and Schacherer, J. (2015) Mito$

ture of a complete 30S translation initiation complex from

chondrial genome evolution in yeasts: an all$encompassing

Escherichia coli, PLoS Biol., 9, doi: 10.1371/journal.

view, FEMS Yeast Res., 15, foj023, doi: 10.1093/femsyr/fov023.

pbio.1001095.

Taanman, J.W.

(1999) The mitochondrial genome:

24.

Myasnikov, A.G., Simonetti, A., Marzi, S., and Klaholz,

Structure, transcription, translation and replication,

B.P. (2009) Structure$function insights into prokaryotic

Biochim. Biophys. Acta, 1410, 103-123.

and eukaryotic translation initiation, Curr. Opin. Struct.

Burger, G., Gray, M.W., Forget, L., and Lang, B.F. (2013)

Biol., 19, 300-309.

Strikingly bacteria$like and gene$richmitochondrial

25.

Suzuki, T., Nagao, A., and Suzuki, T. (2011) Human mito$

genomes throughout jakobid protists, Genome Biol. Evol.,

chondrial tRNAs: biogenesis, function, structural aspects,

5, 418-438, doi: 10.1093/gbe/evt008.

and diseases, Annu. Rev. Genet., 45, 299-329, doi: 10.1146/

Finkelstein, A.V., Razin, S.V., and Spirin, A.S. (2018)

annurev$genet$110410$132531.

Intersubunit mobility of the ribosome, Mol. Biol. (Mosk.),

26.

Tan, T.H.P., Bochud$Allemann, N., Horn, E.K., and

52, 921-934.

Schneider, A. (2002) Eukaryotic$type elongator tRNA^Met

10.

Eme, L., Spang, A., Lombard, J., Stairs, C.W., and

of Trypanosoma brucei becomes formylated after import

Ettema, T.J.G. (2017) Archaea and the origin of eukary$

into mitochondria, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99,

otes, Nat. Rev. Microbiol., 15, 711-723.

1152-1157, doi: 10.1073/pnas.022522299.

11.

Amunts, A., Brown, A., Toots, J., Scheres, S.H.W., and

27.

Gaur, R., Grasso, D., Datta, P.P., Krishna, P.D., Das, G.,

Ramakrishnan, V. (2015) The structure of the human mito$

Spencer, A., Agrawal, R.K., Spremulli, L., and Varshney, U.

chondrial ribosome, Science, 348, 95-98, doi: 10.1126/

(2008) A single mammalian mitochondrial translation ini$

science.aaa1193.

tiation factor functionally replaces two bacterial factors,

12.

Greber, B.J., Bieri, P., Leibundgut, M., Leitner, A.,

Mol. Cell, 29, 180-190, doi: 10.1016/j.molcel.2007.11.021.

Aebersold, R., Boehringer, D., and Ban, N. (2015) The

28.

Yassin, A.S., Haque, M.E., Datta, P.P., Elmore, K.,

complete structure of the 55S mammalian mitochondrial

Banavali, N.K., Spremulli, L.L., and Agrawal, R.K. (2011)

ribosome, Science, 348, 303-308, doi: 10.1126/science.

Insertion domain within mammalian mitochondrial trans$

aaa3872.

lation initiation factor 2 serves the role of eubacterial initi$

13.

Englmeier, R., Pfeffer, S., and Förster, F. (2017) Structure

ation factor 1, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 3918-3923,

of the human mitochondrial ribosome studied in situ by

doi: 10.1073/pnas.1017425108.

cryoelectron tomography, Structure, 25, 1574-1581.e2,

29.

Kummer, E., Leibundgut, M., Rackham, O., Lee, R.G.,

doi: 10.1016/j.str.2017.07.011.

Boehringer, D., Filipovska, A., and Ban, N. (2018) Unique

14.

Bieri, P., Greber, B.J., and Ban, N. (2018) High$resolution

features of mammalian mitochondrial translation initiation

structures of mitochondrial ribosomes and their functional

revealed by cryo$EM, Nature, 560, 263-267.

implications, Curr. Opin. Struct. Biol., 49, 44-53.

30.

Vambutas, A., Ackerman, S.H., and Tzagoloff, A. (1991)

15.

Ramrath, D.J.F., Niemann, M., Leibundgut, M., Bieri, P.,

Mitochondrial translational initiation and elongation fac$

Prange, C., Horn, E.K., Leitner, A., Boehringer, D.,

tors in Saccharomyces cerevisiae, Eur. J. Biochem., 201,

Schneider, A., and Ban, N. (2018) Evolutionary shift

643-652, doi: 10.1111/j.1432$1033.1991.tb16325.x.

toward protein$based architecture in trypanosomal mito$

31.

Garofalo, C., Trinko, R., Kramer, G., Appling, D.R., and

chondrial ribosomes, Science, 362, doi: 10.1126/science.

Hardesty, B. (2003) Purification and characterization of

aau7735.

yeast mitochondrial initiation factor 2, Arch. Biochem.

16.

Desai, N., Brown, A., Amunts, A., and Ramakrishnan, V.

Biophys.,

413,

243-252, doi:

10.1016/s0003$

(2017) The structure of the yeast mitochondrial ribosome,

9861(03)00119$x.

Science, 355, 528-531, doi: 10.1126/science.aal2415.

32.

Peske, F., Rodnina, M.V., and Wintermeyer, W. (2005)

17.

Waltz, F., Nguyen, T.T., Arrivé, M., Bochler, A., Chicher, J.,

Sequence of steps in ribosome recycling as defined by

Hammann, P., Kuhn, L., Quadrado, M., Mireau, H.,

kinetic analysis, Mol. Cell, 18, 403-412, doi: 10.1016/

Hashem, Y., and Giegé, P. (2019) Small is big in

j.molcel.2005.04.009.

Arabidopsis mitochondrial ribosome, Nat. Plants, 5,

33.

Elvekrog, M.M., and Gonzalez, R.L.

(2013)

106-117, doi: 10.1038/s41477$018$0339$y.

Conformational selection of translation initiation factor 3

18.

Waltz, F., Soufari, H., Bochler, A., Giegé, P., and Hashem, Y.

signals proper substrate selection, Nat. Struct. Mol. Biol.,

(2019) Cryo'EM structure of the RNA'rich plant mitochon'

20, 628-633, doi: 10.1038/nsmb.2554.

drial ribosome, bioRxiv 777342, Cold Spring Harbor

34.

Valásek, L.S. (2012) “Ribozoomin” - translation initiation

Laboratory, doi: 10.1101/777342.

from the perspective of the ribosome$bound eukaryotic ini$

19.

Waltz, F., and Giegé, P. (2019) Striking diversity of mito$

tiation factors (eIFs), Curr. Protein Pept. Sci., 13, 305-330.

chondria$specific translation processes across eukaryotes,

35.

Biou, V., Shu, F., and Ramakrishnan ,V. (1995) X$ray crys$

Trends Biochem. Sci., doi: 10.1016/j.tibs.2019.10.004.

tallography shows that translational initiation factor IF3

20.

Ott, M., Amunts, A., and Brown, A. (2016) Organization

consists of two compact alpha/beta domains linked by an

and regulation of mitochondrial protein synthesis, Annu.

alpha$helix, EMBO J., 14, 4056-4064, doi: 10.1002/

Rev. Biochem.,

85,

77-101, doi:

10.1146/annurev$

j.1460$2075.1995.tb00077.x.

biochem$060815$014334.

36.

Petrelli, D., La Teana, A., Garofalo, C., Spurio, R., Pon, C.L.,

21.

Roll$Mecak, A., Shin, B.S., Dever, T.E., and Burley, S.K.

and Gualerzi, C.O. (2001) Translation initiation factor

(2001) Engaging the ribosome: Universal IFs of transla$

IF3: Two domains, five functions, one mechanism? EMBO

tion, Trends Biochem. Sci., 26, 705-709.

J., 20, 4560-4569, doi: 10.1093/emboj/20.16.4560.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 3 2020

306

ЛЕВИЦКИЙ и др.

37.

Koc, E.C., and Spremulli, L.L. (2002) Identification of

45. Kuzmenko, A., Derbikova, K., Salvatori, R., Tankov, S.,

mammalian mitochondrial translational initiation factor 3

Atkinson, G.C., Tenson, T., Ott, M., Kamenski, P., and

and examination of its role in initiation complex formation

Hauryliuk, V.

(2016) Aim$less translation: loss of

with natural mRNAs, J. Biol. Chem., 277, 35541-35549,

Saccharomyces cerevisiae mitochondrial translation initia$

doi: 10.1074/jbc.M202498200.

tion factor mIF3/Aim23 leads to unbalanced protein syn$

38.

Haque, M.E., and Spremulli, L.L. (2008) Roles of the N$

thesis, Sci. Rep., 6, 18749, doi: 10.1038/srep18749.

and C$terminal domains of mammalian mitochondrial ini$

46. Herrmann, J.M., Woellhaf, M.W., and Bonnefoy, N.

tiation factor 3 in protein biosynthesis, J. Mol. Biol., 384,

(2013) Control of protein synthesis in yeast mitochondria:

929-940, doi: 10.1016/j.jmb.2008.09.077.

The concept of translational activators, Biochim. Biophys.

39.

Bhargava, K., and Spremulli, L.L. (2005) Role of the N$

Acta, 1833, 286-294.

and C$terminal extensions on the activity of mammalian

47. Derbikova, K.S., Levitsky, S.A., Chicherin, I.V.,

mitochondrial translational initiation factor 3, Nucleic

Vinogradova, E.N., and Kamenski, P.A. (2018) Activation

Acids Res., 33, 7011-7018, doi: 10.1093/nar/gki1007.

of yeast mitochondrial translation: Who is in charge?

40.

Christian, B.E., and Spremulli, L.L. (2009) Evidence for

Biochemistry (Moscow), 83, 87-97.

an active role of IF3 mt in the initiation of translation in

48. Montoya, J., Ojala, D., and Attardi, G. (1981) Distinctive

mammalian mitochondria, Biochemistry, 48, 3269-3278,

features of the 5′$terminal sequences of the human mito$

doi: 10.1021/bi8023493.

chondrial

mRNAs, Nature,

290,

465-470,

41.

Koripella, R.K., Sharma, M.R., Haque, M.E., Risteff, P.,

doi: 10.1038/290465a0.

Spremulli, L.L., and Agrawal, R.K. (2019) Structure of

49. Weraarpachai, W., Antonicka, H., Sasarman, F., Seeger, J.,

human mitochondrial translation initiation factor 3 bound

Schrank, B., Kolesar, J.E., Lochmüller, H., Chevrette, M.,

to the small ribosomal subunit, iScience, 12, 76-86,

Kaufman, B.A., Horvath, R., and Shoubridge, E.A. (2009)

doi: 10.1016/j.isci.2018.12.030.

Mutation in TACO1, encoding a translational activator of

42.

Chicherin, I.V., Zinina, V.V., Levitskiy, S.A., Serebryakova, M.V.,

COX I, results in cytochrome c oxidase deficiency and late$

and Kamenski, P.A. (2019) Aim23p interacts with the yeast

onset Leigh syndrome, Nat. Genet.,

41,

833-837,

mitochondrial ribosomal small subunit, Biochemistry

doi: 10.1038/ng.390.

(Moscow), 84, 40-46, doi: 10.1134/S000629791901005X.

50. Green$Willms, N.S., Butler, C.A., Dunstan, H.M., and

43.

Levitskii, S., Derbikova, K., Baleva, M.V., Kuzmenko, A.,

Fox, T.D. (2001) Pet111p, an inner membrane$bound

Golovin, A.V., Chicherin, I., Krasheninnikov, I.A., and

translational activator that limits expression of the

Kamenski, P. (2018) 60S dynamic state of bacterial ribo$

Saccharomyces cerevisiae mitochondrial gene COX2, J.

some is fixed by yeast mitochondrial initiation factor 3,

Biol. Chem.,

276,

6392-6397, doi:

10.1074/jbc.

PeerJ., 6, e5620, doi: 10.7717/peerj.5620.

M009856200.

44.

Derbikova, K., Kuzmenko, A., Levitskii, S., Klimontova, M.,

51. Rudler, D.L., Hughes, L.A., Perks, K.L., Richman, T.R.,

Chicherin, I., Baleva, M.V., Krasheninnikov, I.A., and

Kuznetsova, I., Ermer, J.A., Abudulai, L.N., Shearwood, A.J.,

Kamenski, P. (2018) Biological and evolutionary signifi$

Viola, H.M., Hool, L.C., Siira, S.J., Rackham, O., and

cance of terminal extensions of mitochondrial translation

Filipovska, A. (2019) Fidelity of translation initiation is

initiation factor 3, Int. J. Mol. Sci., 19, doi: 10.3390/

required for coordinated respiratory complex assembly, Sci.

ijms19123861.

Adv., 5, doi: 10.1126/sciadv.aay2118.

PROTEIN BIOSYNTHESIS IN MITOCHONDRIA:

PAST SIMPLE, PRESENT PERFECT, FUTURE INDEFINITE

Review

S. A. Levitskii, M. V. Baleva, I. V. Chicherin, I. A. Krasheninnikov, and P. A. Kamenski*

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, 119234 Moscow, Russia; E'mail: peter@protein.bio.msu.ru

Received November 6, 2019

Revised December 6, 2019

Accepted December 9, 2019

Mitochondria are obligate organelles of vast majority of eukaryotic cells. They have many different functions that are

critical for cellular homeostasis. The main role of mitochondria is cell supply with ATP which is synthesized in a chain

of oxidative phosphorylation reactions on the organellar inner membrane. Mitochondria are believed to have an

endosymbiotic origin. In course of evolution, they lost the major part of their genetic material as a result of genome

reduction and gene transfer to nucleus. The majority of mitochondrial proteins are synthesized in cytosol and then

imported to the organelles. However, almost all known mitochondria still contain genomes that are maintained and

expressed. The process of protein biosynthesis in mitochondria - mitochondrial translation - substantially differs

from those in bacteria and in cytosol of eukaryotic cells. Organellar translation is characterized by high degree of spe$

cialization and specific regulation mechanisms. In this review, we analyze available information on common princi$

ples of mitochondrial translation with special attention to the molecular mechanisms of protein biosynthesis initia$

tion in mitochondria of yeast and mammals.

Keywords: mitochondria, translation, initiation, translation factor, initiation factor

БИОХИМИЯ том 85 вып. 3 2020