Лейцин помогает митохондриям эффективнее вырабатывать энергию

Митохондрии часто называют «энергетическими станциями» клетки, поскольку они вырабатывают большую часть энергии, необходимой организму для роста, движения, восстановления тканей и повседневной работы. Однако они не действуют с постоянной скоростью — митохондрии непрерывно подстраивают свою активность в зависимости от потребностей клетки в энергии и доступных питательных веществ.

Учёные давно знали, что питание может влиять на этот процесс, но оставалось неясным, как именно отдельные нутриенты посылают сигналы, меняющие активность митохондрий.

Теперь исследователи под руководством профессора Торстена Хоппе из Института генетики и кластера передового опыта CECAD по исследованиям старения Кёльнского университета выявили новый механизм, связанный с аминокислотой лейцином. Результаты показывают, что лейцин помогает стабилизировать важные белки в митохондриях, позволяя органеллам производить энергию более эффективно.

Исследование опубликовано в журнале Nature Cell Biology под названием «Leucine inhibits degradation of outer mitochondrial membrane proteins to adapt mitochondrial respiration».

Лейцин — незаменимая аминокислота: организм человека не может синтезировать её в достаточном количестве и должен получать её с пищей. Аминокислоты — это «строительные блоки» для белков, и продукты с высоким содержанием белка — молочные продукты, мясо, бобы и чечевица — особенно богаты лейцином.

Исследователи обнаружили, что лейцин не только участвует в производстве белков. Он также помогает предотвращать разрушение некоторых белков, расположенных на внешней поверхности митохондрий.

Эти белки играют важную роль в метаболизме, поскольку помогают переносить другие молекулы внутрь митохондрий, где те используются в энергопроизводящем механизме клетки. Когда лейцин помогает сохранить эти белки, митохондрии работают эффективнее и вырабатывают больше энергии.

«Мы были в восторге, обнаружив, что питательный статус клетки, особенно уровень лейцина, напрямую влияет на производство энергии, — сказала доктор Цяочу Ли, первый автор исследования. — Этот механизм позволяет клеткам быстро адаптироваться к повышенным энергетическим потребностям в периоды изобилия питательных веществ».

Команда проследила этот эффект до белка SEL1L, участвующего в клеточном контроле качества.

Клетки постоянно проверяют свои белки, поскольку повреждённые или неправильно свёрнутые белки могут нарушать нормальную работу. SEL1L помогает выявлять белки, подлежащие удалению, и направляет их на деградацию.

По словам исследователей, лейцин, по-видимому, снижает активность SEL1L. Это означает, что меньше митохондриальных белков разрушается, и больше их остаётся на месте, поддерживая функцию митохондрий.

«Модулирование уровней лейцина и SEL1L может стать стратегией повышения производства энергии, — добавила Ли. — Однако важно действовать осторожно. SEL1L также играет ключевую роль в предотвращении накопления повреждённых белков, что необходимо для долгосрочного здоровья клетки».

Это предупреждение важно, поскольку рост производства энергии не всегда полезен. Те же клеточные системы, что сохраняют полезные белки, помогают и устранять дефектные, поэтому изменение баланса может иметь непредвиденные последствия.

Чтобы изучить более широкие эффекты метаболизма лейцина, исследователи также изучали Caenorhabditis elegans — крошечного круглого червя, часто используемого в биологии, поскольку многие его клеточные процессы схожи с процессами более сложных организмов.

У червей проблемы с расщеплением лейцина нарушали функцию митохондрий и были связаны с проблемами фертильности.

Учёные также исследовали клетки рака лёгких человека. Они обнаружили, что некоторые мутации, влияющие на метаболизм лейцина, могут помогать раковым клеткам выживать. Это наблюдение может быть важно для будущих исследований рака, поскольку методы лечения, изменяющие связанные с лейцином пути, могут по-разному влиять на здоровые и опухолевые клетки.

Результаты дополняют растущие свидетельства того, что питательные вещества не просто служат сырьём для организма. Они также могут действовать как сигналы, влияющие на работу клеток.

В данном случае лейцин, по-видимому, помогает клеткам регулировать производство энергии в соответствии с доступностью питательных веществ, защищая ключевые митохондриальные белки от деградации.

Раскрыв эту ранее неизвестную связь между лейцином, контролем качества белков и метаболизмом митохондрий, исследователи определили потенциальные новые мишени для заболеваний, при которых нарушено производство клеточной энергии, включая рак и метаболические расстройства.

Работа была поддержана Стратегией превосходства Германии в рамках CECAD, а также различными объединёнными исследовательскими центрами, финансируемыми Немецким исследовательским фондом (DFG). Дополнительную поддержку оказал Европейский исследовательский совет через грант ERC Advanced Grant «Cellular Strategies of Protein Quality Control-Degradation» (CellularPQCD) и Фонд Александра фон Гумбольдта.

Источники:

Материалы предоставлены Кёльнским университетом.

Qiaochu Li, Konstantin Weiss, Fuateima Niwa, Jan Riemer, Thorsten Hoppe. Leucine inhibits degradation of outer mitochondrial membrane proteins to adapt mitochondrial respiration. Nature Cell Biology, 2025; 27 (11): 1889 DOI: 10.1038/s41556-025-01799-3