Биологи Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене внимательно изучили внутриклеточное распределение белков и промежуточных продуктов метаболизма в модельном растении. Результаты исследования позволяют по-новому взглянуть на динамику метаболических процессов в клетках.
Эукариотические клетки - в данном контексте растительные клетки - содержат множество субклеточных компартментов, в которых происходят определенные наборы ферментативных реакций. В дополнение к классическим органеллам, отграниченным внутриклеточными мембранами, растворимая фаза цитоплазмы (обычно называемая цитозолем) является местом определенных метаболических превращений. Как метаболические процессы в этих разнообразных компартментах регулируются и координируются, плохо изучено. Используя кресс-салат (Arabidopsis thaliana) в качестве модели, группа под руководством биолога Томаса Нэгеле (профессор эволюционной биологии клеток растений в LMU) успешно провела количественную оценку внутриклеточного распределения широкого спектра белков и метаболитов в клетках листа, таким образом выявление новых аспектов метаболической динамики в этих клетках. Исследование опубликовано в The Plant Journal.
«Часто бывает так, что влияние факторов окружающей среды на метаболизм растений можно охарактеризовать лишь смутно, потому что растительные клетки не могут быть исследованы с необходимой точностью», - говорит Нэгеле. «Например, если определенные продукты метаболизма накапливаются в ответ на стресс окружающей среды, то невозможно определить, где именно в клетке они действительно накапливаются - в заполненной жидкостью растительной вакуоли, служащей хранилищем, в митохондрии, которая снабжает клетку энергией, в цитозоле, где происходят многие метаболические реакции, или где-то еще."
Он и его коллеги модифицировали традиционный метод, известный как «неводное фракционирование», чтобы сделать его совместимым с высокопроизводительными анализами. При таком подходе клетки можно разобрать на составные части, а содержимое каждой можно проанализировать отдельно.
Новая стратегия фракционирования позволила исследователям LMU показать, что инвалидизирующая мутация цитозольного фермента гексокиназы оказывает значительное влияние на процессы, происходящие в хлоропластах (места фотосинтеза) и митохондриях. Гексокиназа катализирует фосфорилирование углеводов. При этом он позволяет производить промежуточные продукты, необходимые для многих других метаболических путей, включая дыхание растений.
Наши результаты показывают, что глюкоза накапливается в цитозоле при дефекте гексокиназы - и это сопровождается повышением уровня глюкозы в вакуоли, в то время как концентрации аминокислот глицина и серина в митохондриях снижаются. значительно снижается», - объясняет Нэгеле.
Эти две аминокислоты являются центральными промежуточными звеньями в важном метаболическом пути, известном как фотодыхание, которое существенно противодействует фотосинтезу и стимулируется, в частности, засушливым стрессом. Следовательно, мутация в гексокиназе, скорее всего, снижает фотодыхательную способность клетки. Это предположение подтверждается дальнейшим анализом влияния мутации на белки, которые, как известно, играют важную роль в обеспечении фотодыхания.
«Наше исследование показывает, что анализ на субклеточном уровне может раскрыть основные принципы регуляторных механизмов, которые контролируют метаболизм растений», - говорит Нэгеле. «Наши улучшенные методы позволили нам идентифицировать новые маркеры, которые теперь можно использовать в будущих исследованиях».