Погуглив «белки SNARE», нейробиолог Эдвард Чепмен находит на экране множество изображений, показывающих молекулы в форме штопора, переплетающиеся, когда они захватывают внешние мембраны двух клеток. «Нас не упомянули в Википедии, но мы нарисовали тот мультфильм», - говорит он с восхитительной иронией.
«И теперь мы доказали, что эта модель неверна», - говорит он. «Учебники надо подкорректировать».
Белки SNARE создают «поры слияния», которые позволяют соединениям проходить через мембраны, разделяющие клетки или субкомпоненты внутри клеток. SNARE создают поры слияния во всех организмах, содержащих клеточное ядро, диапазон, который начинается со многих одноклеточных форм жизни и проходит через растения и животных к человеку.
Поры и белки SNARE, из которых они состоят, вероятно, появились более миллиарда лет назад, говорит Чепмен.
Это означает, что структура и функция пор слияния имеют фундаментальное значение в биологии, говорит Чепмен, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и профессор неврологии в Университете Висконсин-Мэдисон.
«Некоторые люди думают о клетке как о мешочке с протоплазмой, но на самом деле она содержит сотни или тысячи органелл, каждая из которых окружена мембраной», - говорит он. «Все эти органеллы содержат или обрабатывают различные вещества и реагируют на бесчисленное количество сигналов. Чтобы выделять или поглощать вещество, эти контейнеры должны создавать поры слияния через мембраны».
В 2013 году Нобелевская премия была присуждена за открытие SNARE и тему синтеза мембран. В соответствии с общепринятым мнением, когда образуется пора слияния, белки SNARE застегиваются на месте с действием, подобным застежке-молнии, создавая структуру, которая практически никогда не закрывается.
Иными словами, они образуют трубу, «глухое» соединение между обычно непроницаемыми мембранами.
Но в исследовании, опубликованном в Интернете 31 января 2018 года в журнале Nature, исследовательская группа Чепмена показывает, что поры функционируют не столько как трубы, сколько как очень сложные, чувствительные и срабатывающие клапаны, которые могут открываться и закрываться тысячи раз в день. второй. «Я ожидаю, что нам предстоит многое переосмыслить, - говорит он. «Одно дело иметь забитую трубу. И совсем другое - трубу, которая в основном закрыта, но на мгновение открывается - или наоборот»..
«Наше исследование показывает, что старая точка зрения - что SNARE собираются в комплексы, а затем происходит слияние - неверна», - говорит Чепмен. «Скорее, SNARE застегивают и расстегивают молнию и вызывают динамические изменения в порах слияния после того, как они открылись».
Новое исследование основано на устройстве, разработанном Чепменом и его коллегами, которое впервые может точно записывать, когда открывается и закрывается пора синтеза. Они обнаружили, что в зависимости от количества белков SNARE в поре и ее диаметра пора может быть почти полностью закрыта. Она может быть закрыта, но открываться на всплеск каждые полсекунды или около того. Это может сделать наоборот.
Или он может подражать общепринятому мнению и оставаться постоянно открытым.
«Это неожиданная гибкость, неожиданная динамика», - говорит Чепмен. «Поры слияния считались чем-то, что либо открыто, либо закрыто. Сигнал проходит или нет. Но когда мы изучили их в микросекундном масштабе времени, мы увидели нечто совершенно неожиданное. При наличии трех белков SNARE они мерцают. открыты, но в основном закрыты. С пятью SNARE большую часть времени они открыты, но временно закрываются. С семью SNARE они в основном открыты."
Без слияния мембран, обеспечиваемого этими порами, многие вещества, образующиеся в клетке или органелле внутри нее, были бы захвачены, говорит Чепмен. «Слияние мембран - фундаментальный вопрос для организмов с ядром», в эту категорию входят дрожжи.«Если учесть, что человеческий мозг содержит от 10 до 15 синапсов, то в течение дня в нашем мозгу образуется бесчисленное количество пор слияния. Только сейчас мы начинаем понимать структуру и динамику этих загадочных наноразмеров. молекулярные машины."
В нервной системе поры слияния лежат в основе передачи сигналов, транспортируя химическое сообщение через узкую щель от аксона одного нейрона к другому нейрону. Поры слияния также играют важную роль в других аспектах биологии, начиная от высвобождения инсулина после еды и заканчивая проникновением вирусов в клетки-мишени.
Ключом к открытию стали инновации соавторов Хуана Бао и Дебасиса Даса, исследователей с докторской степенью в лаборатории Чепмена, с помощью Ихао Цзяна и барона Чанды, мирового лидера в области одноканальной записи. Вместе они создали прибор для измерения потока электрического тока через рекомбинантную термоядерную пору, построенную из очищенных компонентов.
«Хуан и Дебасис способны проводить точные измерения свойств и поведения отдельных искусственных термоядерных пор», - говорит Чепмен. «Мы можем измерять раскрытие пор с беспрецедентным временным разрешением - менее одной тысячной секунды - и эти ребята лидируют в мире в области этих деликатных измерений».
Ранее открытие измерялось несколькими секундами, но лучшее разрешение делает текущий результат намного более сложным и интересным, говорит Чепмен. «Вопрос, который мы задали, был: «Влияет ли количество SNARE, используемых для управления слиянием, на результат?» Ответ - да, но он зависит от количества SNARE в поре и, вероятно, от многих других факторов».
Другие каналы, которые перемещают молекулы и ионы через клеточные мембраны, не обладают такой гибкостью, говорит Чепмен. Кальциевый канал, например, использует ровно одну единицу необходимого белка. «Биология могла бы спроектировать пору синтеза так, чтобы всегда требовалось одно и то же количество SNARE, но этого не произошло."
Это аксиома, что эволюция выбирает на основе полезности, и структуры, которые становятся настолько распространенными, хорошо работают. По словам Чепмена, поскольку поры слияния есть у всех организмов с клеточным ядром, они должны быть чрезвычайно успешным решением широко распространенной потребности в кибице с соседями. «Мы думаем, что это имеет большое значение для связи между клетками».
Вновь обнаруженная сложность взаимоотношений между структурой пор и раскрытием указывает на несколько интригующих возможностей, говорит Чепмен. Пора, которая ненадолго «выпускает» свое содержимое, может снизить чувствительность клетки-реципиента к сигналу. Например, глутамат является нейротрансмиттером, который в норме возбуждает принимающую его клетку. Если пора слияния вспыхнет, небольшая утечка глутамата может снизить чувствительность, а не активировать его соседа, что приведет к торможению, а не возбуждению. «Кажется парадоксальным, но это будет новая функция для классического возбуждающего нейротрансмиттера», - говорит Чепмен.
Идея противоречива, признает Чепмен, но аналогичный эффект наблюдался в порах слияния, которые проводят секрецию надпочечников. «Когда секреторные клетки стимулируются с низкой интенсивностью, пора слияния остается маленькой, и высвобождаются только небольшие молекулы, такие как адреналин и подобные гормоны. играют разные роли в периферической нервной системе. Таким образом, размер пор определяет функцию этих клеток».
Результаты слияния пор были настолько неожиданными, добавляет Чепмен, что обозреватели потребовали «еще одного целого эксперимента», проведенного на дрожжах SNARE. «Мы получили тот же результат. Если вы измените количество белков, вы измените характер открытия. Мы думаем, что, возможно, столкнулись с новым принципом слияния мембран», - говорит Чепмен. «Если пора остается маленькой, физический результат будет другим, чем если бы она расширялась, высвобождая весь сигнал сразу. Это то поведение, о котором мы не могли даже догадываться, пока у нас не было этого временного разрешения, которое позволяет нам увидеть, что на самом деле делают эти дьяволы. Это не все или ничего, да или нет; это оценивается."
Результаты могут широко применяться просто потому, что поры плавления встречаются повсеместно, заключает он. «Поведение белкового механизма, который опосредует почти все события слияния мембран, оказывается довольно умным. Биологи придумали здесь кое-что странное. Это более тонкий способ общения друг с другом».
Это исследование было поддержано грантами и стипендиями Национальных институтов здравоохранения: MH061876, NS097362, NS081293 и F32GM112371.