Микробиологи Гронингенского университета визуализировали крошечные островки в клеточной мембране пекарских дрожжей. Эти мембранные компартменты, по-видимому, хранят транспортные белки перед использованием. Ученые заметили, что эти белки чрезвычайно медленно перемещаются в плазматической мембране дрожжей, и обнаружили, как они проходят через мембрану, чтобы достичь островков. Они сделали эти наблюдения с помощью современной оптической микроскопии сверхвысокого разрешения. Результаты были опубликованы в Nature Communications 5 февраля.
Еще лет десять назад в учебниках по клеточной биологии клеточная мембрана изображалась как гомогенный двойной липидный слой со случайно вставленными мембранными белками. Но это представление существенно изменилось с открытием различных фаз в мембранах клеток млекопитающих. Липидный состав может различаться на «островках» в мембране, и это влияет на распределение белка. Однако очень мало было известно о подобных структурах в клетках дрожжей.
Синтетическая клетка
«Электронно-микроскопические исследования, проведенные еще в 1960-х годах, показывают углубления в дрожжевой мембране, но они не были подробно изучены и были отвергнуты как артефакты пробоподготовки», - объясняет профессор биохимии Гронингенского университета Берт Пулман. «Затем, около десяти лет назад, эти впадины были заново открыты. Ученые наблюдали бананообразные белки, прикрепленные к внутренней стороне мембраны, и оказалось, что они ответственны за эти углубления, которые были названы эйизосомами».
Пулман решил изучить эти углубления в мембране дрожжей по ряду причин. «Мы глубоко вовлечены в проект по созданию синтетической клетки из молекулярных компонентов. Поэтому нам нужно много знать о мембране и о том, как получить в свои руки мембранные белки». Кроме того, эйзосомы являются предпочтительным местом расположения ряда транспортных белков, в которых заинтересованы отраслевые партнеры исследовательской группы Пулмана.
Транспортеры
Используя различные флуоресцентные маркеры для маркировки как транспортных белков в мембране, так и бананообразных белков на внутренней стороне, группа Пулмана смогла определить, какие белки совместно локализованы с эизосомами. Поскольку углубление имеет глубину всего около 50 нанометров, а размеры эйизосом не превышают 150 на 100 нанометров, для этого требовалось чрезвычайно высокое разрешение. «К счастью, в нашей лаборатории есть набор специализированных микроскопов, которые могут обеспечить такое исключительное разрешение в сочетании с высокой чувствительностью, необходимой для наблюдения за отдельными молекулами в живых клетках». Опыт в микроскопии сверхвысокого разрешения и знания в области биохимии мембран позволили группе предоставить изображения с требуемым разрешением.
Исследования показали, что некоторые переносчики аминокислот действительно предпочтительно локализованы в эизосомах. «Но только когда нет доступного субстрата», - объясняет Пулман. «Если мы добавим правильную аминокислоту, белок отойдет от эизосомы, вероятно, потому, что он принимает другую конформацию в связанном с субстратом состоянии». Его гипотеза состоит в том, что эйзосомы защищают транспортные белки от повторного использования. «Белки синтезируются в клетке, а затем транспортируются к мембране путем экзоцитоза. Однако, когда они не находятся в эизосомах, эти белки быстро снова всасываются посредством эндоцитоза». Таким образом, транспортеры временно «хранятся» в эйзосомах. Когда соответствующие субстраты находятся вне клетки, они уходят, чтобы транспортировать аминокислоты в клетку, до тех пор, пока белки больше не будут нужны, после чего они перерабатываются..
Распространение
Не все белки присутствуют в эйизосомах. Пулман: «Например, мы заметили, что мембранные белки с большими внутриклеточными доменами не могут проникнуть в них. Они предполагают, что бананообразные белки на внутренней стороне мембраны мешают внутриклеточным доменам, что препятствует их диффузии в эйзосомы.
Группа Пулмана также оценила скорость диффузии белков в плазматической мембране дрожжей. Они заметили, что это примерно в тысячу раз меньше, чем в клетках млекопитающих или во внутренних мембранах дрожжевой клетки. «Плазматическая мембрана дрожжей более жесткая. Он может выдерживать относительно высокие концентрации спирта или кислоты. Очевидно, это влияет на диффузию белка».
Результаты этого исследования дают лучшее представление о функционировании клеточной мембраны дрожжей в целом и, в частности, островков эизосом. Они также предоставляют новую информацию о биогенезе и перемещении мембранных транспортных белков, что со временем может улучшить промышленную продуктивность дрожжей.