Исследователи научились точно размещать белки в клетках

Ученые из Университета Джонса Хопкинса разработали метод, позволяющий в реальном времени перемещать молекулы в определенные участки живых человеческих клеток. Это приближает их к пониманию, почему и как один и тот же белок в одном месте может сигнализировать о делении и росте, а в другом — о гибели клетки.

Исследование, опубликованное 14 февраля в Nature Methods, расширяет более ограниченный метод, использовавший химический инструмент для перемещения белков к периферии клетки — плазматической мембране.

«Место активации конкретного белка и время этой активации влияют на то, как клетка реагирует на внешний стимул, — говорит Таканари Иноуэ, доктор философии. — Наша цель с этим новым расширенным инструментом — манипулировать активностью белков во многих местах клетки в быстром временном масштабе».

Клетки остроумно решили проблему необходимости реагировать на почти бесконечный набор внешних стимулов (например, температуру), используя ограниченное число молекулярных игроков. Идея в том, что один белок выполняет несколько ролей, меняя свое местоположение или изменяя скорость и продолжительность активации.

Химическая сигнализация внутри клеток связывает белковые молекулы через сложные петли обратной связи и перекрестные помехи. Поэтому, чтобы точно понять, как каждый белок влияет на сигналы и где, необходима возможность быстро перемещать белки к конкретным органеллам, таким как митохондрии («электростанции» клеток) и аппарат Гольджи («системы доставки»).

Команда выбрала сигнальный белок Ras в качестве молекулы, которую попыталась переместить внутри клетки. Ras, регулятор роста клеток, часто вовлеченный в рак, давно изучается и известен как молекулярный переключатель. Однако до сих пор не было возможности определить, что делает Ras в разных местах, таких как аппарат Гольджи или митохондрии, не говоря уже о том, что происходит при его одновременной активации в любой комбинации этих и других органелл.

Работая с живыми клетками HeLa человека и белком Ras под микроскопом, команда использовала зонд димеризации, состоящий из специальной малой молекулы. Эта молекула одновременно притягивает два белка, которые в норме не имеют сродства друг к другу, и связывает их вместе. В этой системе один из белков-партнеров закреплен на органелле, а другой свободно плавает внутри клетки. Добавление химического димеризатора заставляет свободный белок присоединиться к закрепленному.

Используя ферменты, подобные ножницам, команда разрезала и изменяла ДНК парных белков, чтобы изменить молекулярный «адрес» назначения. Они вырезали «почтовый адрес» (таргетинг-последовательность), который ранее доставлял белковый комплекс к плазматической мембране, и заменили его новыми адресами, которые направляли белок к конкретным органеллам.

«Мы смогли манипулировать активностью белков in situ и очень быстро на каждой отдельной органелле, — сказал Иноуэ. — В конечном итоге это поможет нам лучше понять функцию белков в этих критически важных клеточных компонентах».