Согласно новому исследованию ученых из Чикагский университет.
Когда клетки испытывают стресс, такой как жара или голод, группы белков и молекул РНК внутри клеток образуют скопления. Эти скопления долгое время считались признаком клеточного повреждения, грудами расплавленных, дисфункциональных молекул, которые необходимо выбросить. Это согласуется с наблюдениями, что при многих неврологических заболеваниях человека, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз (БАС), скопления белков накапливаются в умирающих нервных клетках.
В новом исследовании, опубликованном 9 марта 2017 года в журнале Cell, Д. Аллан Драммонд, доктор философии, и его коллеги показали, что молекула, называемая поли(А)-связывающим белком (Pab1), образует комки в ответ на стрессовых условиях внутри почкующихся дрожжевых клеток и при выделении в пробирке только белка. То, что выглядит как комки, на самом деле является гидрогелем, похожим на желе или зубную пасту, которые под микроскопом выглядят как круглые капли. Самое главное, когда исследователи вмешались в образование этого гидрогеля, связанного со стрессом, в живых клетках, эти клетки не смогли справиться со стрессом. Иными словами, образование гидрогеля - это не повреждение, а адаптивная реакция.
«Похоже, это организованная экстренная процедура, такая как пожарная тревога, когда люди уходят со своей обычной работы и собираются большими группами в определенных местах, невредимые и вне опасности», - сказал Драммонд, который доцент кафедры биохимии, молекулярной биологии и генетики человека Калифорнийского университета в Чикаго. «Когда эти молекулы собираются в большие группы - образуя гель - они делают это не только для защиты, но и для выполнения важной работы, такой как вызов пожарных и парамедиков».
Исследование является результатом пятилетнего сотрудничества между Драммондом и Тобином Сосником, доктором философии, заведующим кафедрой биохимии и молекулярной биологии, под руководством двух аспирантов, биофизика Джошуа Рибака и биохимика Криса Катански.
В последние годы всплеск исследований был сосредоточен на формировании белковых жидкостей и гидрогелей как способе организации и ремоделирования клеток. В одном процессе, называемом «разделением фаз», две смешанные жидкости разделяются, как масло и уксус в заправке для салата. Чтобы добиться разделения фаз, в предыдущих исследованиях обычно использовались экстремальные условия в пробирке (высокие концентрации белка или добавок). Новое исследование Калифорнийского университета в Чикаго показало, что нормальные уровни Pab1 могут изменяться по фазам, если они сталкиваются с изменениями температуры или pH, которые сопровождают клеточный стресс.
«Удивительно, но мы на самом деле не знаем, как эти клетки чувствуют, что стало жарче», - сказал Драммонд. Животные используют чувствительные к температуре нервные каналы, но у дрожжевых клеток таких каналов нет. «Температурная чувствительность этого процесса разделения фаз намного выше, чем у любой другой молекулярной системы измерения температуры, которая была описана», - сказал Драммонд. «Мы подозреваем, что такой молекулярный механизм, позволяющий клеткам ощущать температурные и другие изменения окружающей среды, будет широко распространен».
Драммонд и его коллеги продолжают изучать, как этот процесс фазового разделения помогает клеткам пережить стресс. В статье исследователи предполагают, что это может быть связано с тем, что когда Pab1 высвобождает специфические матричные РНК во время реакции на стресс, это запускает трансляцию этих мРНК для кодирования новых, чувствительных к стрессу белков, которые помогают клеткам расти.
Исследователи также изучают, как капли гидрогеля Pab1 снова распадаются на отдельные молекулы. Понимание обращения фазового разделения может дать ключ к пониманию того, как процесс может пойти наперекосяк. Например, при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера или БАС, наличие белковых скоплений в нервных клетках может быть признаком того, что процесс разделения фаз начался как защитная реакция на стресс, но что-то пошло не так и помешало клеткам вернуться в нормальное состояние..
«Это первый пример того, как эти глыбы могут быть полезны», - сказал Драммонд. «Эти исследования касаются более широких вопросов о том, как клетки используют обратимое образование массивных групп молекул для выполнения важных функций, и как эти хорошие процессы слипания могут пойти наперекосяк, что приведет к заболеваниям, при которых слипание выходит из-под контроля."