Рециклинг аминокислот в клетках: как аутофагия помогает адаптироваться к изменениям
Клетки должны максимально эффективно использовать питательные ресурсы для выживания. Это требует баланса между синтезом и деградацией клеточных компонентов. Аутофагия — ключевой путь внутриклеточной деградации, активируемый в условиях стресса. Она доставляет клеточный материал в вакуоль (или лизосому в клетках животных), где он расщепляется до метаболитов, таких как аминокислоты — строительные блоки белков. Эти метаболиты возвращаются в цитоплазму для повторного использования.
Однако точное применение метаболитов, полученных при аутофагии, оставалось неясным. Чтобы это выяснить, исследователи из Токийского технологического института (Tokyo Tech) и Университета Монаша, включая нобелевского лауреата 2016 года доктора Ёсинори Осуми, изучили, как клетки используют эти метаболиты. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Учёные использовали мутантные дрожжевые клетки, неспособные к аутофагии. Их перевели из глюкозной среды в этанольную, заставив адаптироваться к дыхательному росту (респирации). Этот переход требует резкого увеличения функции митохондрий и перестройки метаболических процессов. Клетки с дефектом аутофагии адаптировались к респирации медленнее, чем нормальные.
Исследователи обнаружили, что переход от ферментации (когда дрожжи расщепляют глюкозу до этанола в цитозоле) к дыханию (когда другие углеводы используются для производства энергии в митохондриях) запускает аутофагию. Это указывает, что клеткам необходимо рециклировать метаболиты для адаптации к дыханию.
Ключевая роль серина
Чтобы найти конкретные метаболиты, учёные добавляли различные вещества в культуры мутантных клеток и проверяли, помогают ли они адаптироваться к дыханию. Оказалось, что аминокислота серин способна восстановить нормальную скорость адаптации у клеток с дефектом аутофагии.
Серин поступает в важный митохондриальный метаболический путь — одноуглеродный метаболизм. Этот путь играет центральную роль в инициации синтеза белков в митохондриях. Хотя таких белков немного, они критически важны для митохондриального дыхания. Исследователи показали, что ключевые маркеры одноуглеродного метаболизма в митохондриях нарушены у мутантных клеток, а добавление серина восстанавливает этот метаболизм и синтез митохондриальных белков.
Значение открытия
Как пояснил ведущий автор доктор Александр И. Мэй: «При адаптации дрожжей к дыхательному росту аутофагия играет центральную роль в обеспечении митохондрий серином, в котором они в противном случае испытывают критический дефицит. Серин используется множеством путей в клетке, что создаёт конкуренцию за этот ресурс. На концептуальном уровне наши данные показывают, что аутофагия снабжает ключевые адаптивные пути достаточным количеством предшественников, позволяя наиболее эффективно распределять клеточные ресурсы при колебаниях среды».
Это исследование не только углубляет фундаментальное понимание аутофагии, но и устанавливает ранее неизвестную связь между аутофагией и одноуглеродным метаболизмом, который играет важную роль в метаболизме раковых клеток. Результаты могут предоставить медицинским исследователям новый инструмент для разработки терапевтических стратегий против рака.