Tutkimus mitokondriaalisen rasvahapposynteesin fysiologisista tehtävistä

Mitokondriot ovat tärkeitä soluorganelleja, koska ne tuottavat adenosiinitrifosfaattia, solujen energian siirtäjää. Soluissa rasvahappojen tuotto tapahtuu pääosin solulimassa, mutta rasvahappoja voidaan valmistaa myös mitokondrioissa. Mitokondrioissa tapahtuva rasvahapposynteesi on tunnistettu vasta viime vuosina ja tämä reitti löytyy kaikista aitotumallisista soluista. Reitti käyttää tioesterikemiaa, jossa syntyvä rasvahappo on kiinnittynyt asyylinkantajaproteiiniin (ACP). Ihmisen mitokondriaalinen 2E-enoyylitioesterireduktaasi (MECR/Etr1) vastaa rasvahapposynteesin viimeisestä, pelkistävästä vaiheesta. Kahdeksan hiiltä pitkä oktanoaatti on yksi mitokondriaalisen rasvahapposynteesin tuote, ja sitä käytetään lipoaatin valmistamiseen. Lipoaatti toimii kofaktorina monille tärkeille mitokondriaalisille entsyymikomplekseille. Vaikka ymmärtämyksemme proteiinien lipoylaatiosta on lisääntynyt viime aikoina, emme silti tiedä tarkalleen tämän post-translationaalisen muokkauksen mekanismeja. Muiden mitokondriaalisen rasvahapposynteesin tuotteiden kuin oktanoaatin fysiologista merkitystä emme vielä tunne.

Yksi tämän työn tarkoitus oli selvittää proteiinien lipoylaatioreittiä. Tätä tarkoitusta varten kehitimme useita poistogeenisiä hiivakantoja ja työkaluja, joiden avulla pystyimme tutkimaan reitin vaiheita yksittäin. Havaitsimme, että ihmisen lipoyylitransferaasi LIPT1 toimii kuten hiivan vastaava entsyymi ja pystyy käyttämään ulkoisesti lisättyä lipoaattia, jos paikalla on lipoaattia/oktanoaattia aktivoiva entsyymi. Kehittämämme hiivakannat ja menetelmät tarjoavat luotettavan ja helpon tavan tutkia ihmisen entsyymejä ja niiden substraatteja proteiinien lipoylaatiossa. Se voi toimia myös työkaluna etsiessä mahdollisia yhdisteitä, joita voisi käyttää lipoylaatio-ongelmista kärsivien potilaiden hoidossa.

Työn toinen tarkoitus oli löytää mitokondriaalisen rasvahapposynteesin tuottamien pitkäketjuisten rasvahappojen fysiologinen merkitys käyttäen muokattua MECR-entsyymiä työkaluna. Tätä varten MECR mutatoitiin niin, että se ei pysty tuottamaan pidempiä rasvahappoja kuin oktanoaattia. Hiivakanta, joissa muokattu MECR korvaa hiivan oman enoyylireduktaasin, ei pysty soluhengittämään, vaikka proteiinit ovat lipoyloituja. MECR:n entsyymikineettinen analyysi osoitti, että sen substraattispesifisyys on muuntunut lyhyisiin rasvahappoihin, ja muokatun proteiinin kiderakenne osoitti substraatin sitoutumiskohdan lyhentyneen. Hapen kulutus hiivakannassa, joissa muokattu MECR on korvannut hiivan oman enoyylireduktaasin, on vähentynyt merkittävästi. Lisäksi mitokondriaalisen DNA:n koodaamat proteiinit puuttuvat kokonaan, kun taas tuman koodaamat proteiinit syntyvät normaalisti. Droplet digital PCR-analyysi paljasti mitokondriaalisen DNA:n kadonneen näistä hiivasoluista. Tämä on täysin uusi löydös, sillä aiemmin ei ole tiedetty yhteyttä mitokondriaalisen rasvahapposynteesin ja mitokondriaalisen DNA:n välillä.