Исследователи из Института наук о жизни Мичиганского университета определили новый тип быстродействующего защитного механизма, который помогает защитить клетки от стресса окружающей среды, давая время для действия более медленным, хорошо известным системам защиты.
«Это похоже на то, как человек, оказывающий первую помощь, спешит на сигнал тревоги, в то время как более крупная группа реагирования мобилизуется», - сказала Нацуко Джин, научный сотрудник с докторской степенью в лаборатории преподавателя LSI Лоис Вейсман и ведущий автор исследования, которое должно быть опубликовано. 21 июня в Журнале клеточной биологии.
Как правило, когда клетки подвергаются стрессу, включаются механизмы адаптации. Они запускают механизм транскрипции, и посредством экспрессии генов клетка вырабатывает новые белки, чтобы реагировать на стресс и поддерживать свою жизнь.
У дрожжей, одноклеточного организма, часто используемого для изучения фундаментальной клеточной биологии, также наблюдался гораздо более быстрый тип ответа - немедленный и кратковременный всплеск продукции сигнального липида, который обычно наблюдается только в ничтожных количествах.
Когда ученые замкнули способность дрожжей генерировать такую быструю реакцию, дрожжи стали жертвами стресса окружающей среды с катастрофической скоростью.
«Впервые был идентифицирован путь ранней защиты, который работает быстрее, чем экспрессия генов», - сказал Джин. «Поскольку многие из ключевых игроков были сохранены в результате эволюции до людей и других млекопитающих, наши исследования показывают, что этот и другие типы путей ранней защиты могут существовать в более широком смысле, и они могут реагировать на различные типы клеточного стресса."
Для этого исследования дрожжи были помещены в среду с высокой концентрацией соли, которую ученые называют высокой осмолярностью. В течение нескольких минут каждая клетка отвечает запуском сигнального каскада, активирующего ключевую протеинкиназу Hog1, которая перемещается из цитоплазмы клетки в ядро, где способствует изменениям в экспрессии генов. Эти изменения в экспрессии генов начинают проявляться через 30 минут и час, а для полной активации требуется до двух часов.
Тем временем исследователи также наблюдали резкий, немедленный всплеск сигнального липида, известного как PI3, 5P2, который вырабатывается органеллой, называемой вакуолью у дрожжей. Дрожжевая вакуоль похожа на лизосому в сложных организмах.
«В течение одной минуты вы видите пятикратное повышение уровня этого липида», - сказал Вейсман, старший автор исследования и профессор клеточной биологии и биологии развития в Медицинской школе Университета Мексики. «В течение пяти минут это 20-кратное увеличение. Затем, когда мы ничего не делаем с клетками, он стабилизируется и падает».
Когда обычные дрожжи поместили в эту среду с высоким содержанием соли или гиперосмотическую среду на четыре часа, большинство из них справились.
Когда исследователи использовали генетические манипуляции, чтобы отключить хорошо известный, долговременный ответный путь, производящий Hog1, погибло 30 процентов клеток.
«Тем не менее, 70 процентов справились с задачей, - сказал Вейсман.
Но когда они лишили клетки способности производить PI3, 5P2, 80 процентов умерли.
«Итак, мы знаем, что он делает что-то защитное, прежде чем сработает экспрессия гена», - сказала она. «Если у них его нет, большинство умирает».
Как именно PI3, 5P2 приносят пользу клетке, пока неясно, сказал Джин. В текущем исследовании изучались вышестоящие регуляторы сигнального липида и продемонстрировано, что они отличаются как во времени, так и в пространстве от действия пути Hog1.
Она также сказала, что, хотя наблюдение пиков PI3, 5P2 в гиперосмотических условиях относится к концу 1990-х годов, его роль ранее была неясна. Исследование Джина началось с желания понять, что вызывает всплеск и какую физиологическую роль он может играть.