Ученые увидели, как развернутые белки движутся в клетке

Химики из Иллинойсского университета с помощью специализированного флуоресцентного микроскопа впервые смогли наблюдать, как развернутый белок диффундирует внутри живой клетки. Исследование, опубликованное в PLOS ONE, показывает, что такой белок замедляется и может «застревать» в клеточном трафике.

Ранние стадии болезни

Профессор Мартин Грюбеле и его аспиранты Минхао Го и Ханна Гельман изучают самые ранние этапы развития болезней, связанных с неправильным сворачиванием белков, таких как Альцгеймер и Хантингтон. Ранее фокус был на фибриллах — крупных скоплениях неправильно свернутых белков в мозге. Однако теперь ученые полагают, что фибриллы — это лишь конечный продукт, остающийся после гибели клетки, а ключевой механизм повреждения связан с миграцией развернутого белка к специфическим местам в клетке, например, к внешней мембране.

Эксперимент и результаты

Гипотеза состояла в том, что развернутый белок должен двигаться медленнее, поскольку представляет собой не компактную структуру, а «длинную бесформенную нить». Команда разработала метод измерения замедления диффузии при разворачивании белка с помощью флуоресцентного микроскопа и 3D-моделей диффузии.

Оказалось, что развернутый белок действительно движется медленнее, но неравномерно: он то быстро перемещается, то «простаивает» на одном месте, подобно машине в пробке. Ученые смогли составить карту областей клетки с разной скоростью диффузии — своего рода клеточные «ограничения скорости».

Причины замедления

Замедление связано не только с увеличением размера. Дополнительные эксперименты доказали, что развернутый белок прилипает к другим молекулам в клетке. В частности, он активнее взаимодействует с шаперонами — молекулами, которые связываются с развернутыми участками белков. Однако при массовом разворачивании белков система шаперонов перегружается и не справляется.

«Изучение этого процесса помогает понять, почему то, что кажется относительно безвредным in vitro, иногда оказывает такое сильное влияние в клетке», — отмечает Ханна Гельман. Мутация, делающая белок чуть менее эффективным в пробирке, в клетке может стать фатальной: белок перестает выполнять свою функцию, а его накопление нарушает работу всей клетки.

Будущие исследования

Ученые полагают, что развернутые белки могут прилипать и к другим молекулам, помимо шаперонов, вызывая дополнительные проблемы и нарушая внутриклеточный поток. Они планируют использовать свой метод для изучения других белков, чтобы понять, универсальны ли обнаруженные свойства.

Конечная цель — проследить, как развернутые или неправильно свернутые белки добираются до клеточной мембраны, где агрегируют и создают проблемы, характерные для нейродегенеративных заболеваний.

«Это целый каскад событий, — объясняет Грюбеле. — Если одна машина сломается посреди пустыни — это проблема только для владельца. Но если она остановится на скоростной трассе в Лос-Анджелесе, очень скоро образуется пробка. Мы изучаем именно момент, когда машина останавливается на трассе. А что происходит с вереницей машин через час — это уже фибриллы».