Объем клеток может сильно различаться. Подобно надувному воздушному шару, увеличение объема растущих клеток давит на плазматическую мембрану - липидную оболочку, окружающую клетку. Это «тургорное» давление увеличивает натяжение мембраны, которое, если его не исправить, в конечном итоге приведет к разрыву клетки. Чтобы этого не произошло, в клетках развились механизмы, контролирующие натяжение их плазматической мембраны. Когда напряжение слишком велико, клетки реагируют увеличением количества липидов в мембране. И наоборот, когда натяжение слишком низкое, клетки удаляют липид с мембраны, чтобы «подтянуть» ее. Как клеткам удается ощущать напряжение и запускать соответствующую биологическую реакцию, остается загадкой. Это было трудно решить из-за отсутствия инструментов для изучения натяжения мембран в живых клетках. Чтобы решить эту проблему, исследователи из Женевского университета (UNIGE) и Национального центра компетенций в области исследовательской химической биологии (NCCR) объединили усилия для создания флуоресцентной молекулы для измерения натяжения плазматической мембраны живых клеток. Используя этот новый инструмент, они смогли обнаружить, как клетки адаптируют свою поверхность к своему объему. Премьера. Эти результаты, опубликованные в журналах Nature Chemistry и Nature Cell Biology, открывают путь для многих приложений, в том числе для обнаружения раковых клеток, которые обычно демонстрируют аберрантно высокое мембранное натяжение.
Когда объем клетки увеличивается, напряжение, оказываемое на ее мембрану, увеличивается, вызывая активацию TORC2 - комплекса белков, который создает предупреждающие сигналы внутри клетки. «Клеточная мембрана состоит из липидов, организованных в полупроницаемый двойной слой», - объясняет Орельен Ру, профессор кафедры биохимии факультета естественных наук UNIGE и член NCCR.«Эта поверхность жидкая, что позволяет мембране приспосабливаться к изменениям формы и объема клетки. Как и любая поверхность, она может растягиваться, и тогда пространство между липидами увеличивается. Когда это пространство становится слишком большим, мембрана может break, белок, названный Slm1, активирует TORC2 для выработки сигналов, которые подталкивают клетку к производству новых липидов и, в свою очередь, уменьшают натяжение клеточной мембраны». Но как измерить напряжение, необходимое для запуска этого процесса?
Флуоресцентная молекула как зонд мембранного натяжения
Для оценки натяжения клеточной мембраны необходимо уметь измерять пространство между липидами, составляющими эту мембрану. Стефан Матиле, профессор кафедры органической химии факультета естественных наук UNIGE и член NCCR, создал «молекулу-зонд» под названием FliptR (Fluorescent Lipid Tension Reporter), которая спонтанно интегрируется между липидами плазматической мембраны..«Мы разработали флуоресцентную молекулу с двумя маленькими «плавниками», которые определяют определенный угол между ними, - с энтузиазмом объясняет он. Этот угол меняется в зависимости от давления, оказываемого на FliptR, которое изменяет его флуоресценцию». Воспользовавшись этой разницей во флуоресцентных свойствах молекулы, группа профессора Ру смогла измерить расстояние между липидами и, следовательно, натяжение мембраны.
С созданием FliptR у исследователей появился новый ценный инструмент для измерения натяжения плазматической мембраны в живых клетках. «Мы знаем, что раковые клетки имеют более высокое натяжение мембран, чем нормальные клетки. Мы надеемся, что эта флуоресцентная молекула однажды поможет их легче обнаружить», - добавляет Стефан Матиле.
А когда речь идет о снижении напряжения клетки?
Когда напряжение плазматической мембраны увеличивается, активируется TORC2, что запускает выработку липидов для снижения напряжения до исходных значений. Но что происходит, когда натяжение мембраны слишком низкое и его необходимо увеличить? «Сначала мы думали, что это происходит через тот же механизм, работающий в обратном направлении, но история оказалась гораздо интереснее!» - говорит Робби Ловит, профессор кафедры молекулярной биологии факультета естественных наук UNIGE, а также член NCCR. Действительно, первоначальное исследование показало, что активатор TORC2 Slm1, участвующий в восприятии слишком сильного натяжения мембраны, неожиданно не играет никакой роли в ответе на слишком слабое натяжение. «С другой стороны, мы заметили, что определенный липид, присутствующий в плазматической мембране, называемый PIP2, является датчиком слишком малого натяжения мембраны».
Когда натяжение мембраны уменьшается, PIP2, предварительно смешанный с другими липидами, самоотделяется, образуя «островки» PIP2 в море оставшихся липидов в мембране, в процессе, мало чем отличающемся от спонтанного разделения (подъема) сливок. в свежем молоке. Поскольку один из белков TORC2 связывается с PIP2, TORC2 также перераспределяется на эти островки PIP2. После поглощения этими островками TORC2 инактивируется. «Липиды клеточной мембраны естественным образом разлагаются, и для их замены необходима активность TORC2», - объясняет Робби Ловит. Но когда TORC2 ингибируется внутри островков PIP2, деградированные липиды больше не замещаются, что приводит к увеличению напряжения плазматической мембраны. Если этот процесс перекалибровки заблокирован, клетки не могут регулировать натяжение своей плазматической мембраны и умирают.
Химический измерительный прибор для помощи в исследованиях в области биологии
Благодаря методу измерения натяжения, разработанному Стефаном Матиле и Орельеном Ру, группы профессоров Ру и Ловита смогли провести свои эксперименты на модельных клетках - дрожжах - и измерить колебания натяжения плазматической мембраны. «Мембранное напряжение является очень важным параметром для контроля во всех клеточных процессах, в которых участвуют мембраны, таких как подвижность, эндоцитоз (процесс, посредством которого клетка питает себя) или клеточное деление, и особенно в случае развития рака». резюмируют три исследователя. В настоящее время ученые сосредоточены на проверке того, является ли механизм, наблюдаемый у дрожжей, таким же, как и в клетках человека, с долгосрочной идеей разработать лекарства, способные регулировать TORC2 или даже предотвращать развитие некоторых видов рака..