Белковые агрегаты после теплового шока — организованный и обратимый клеточный ответ

Агрегаты белков, образующиеся в клетке после воздействия высоких, но не летальных температур, по-видимому, являются частью организованного ответа на стресс, а не накоплением повреждённых белков на пути к деградации. Учёные из Чикагского и Гарвардского университетов, сообщая в журнале Cell 10 сентября 2015 года, обнаружили, что агрегаты полностью обратимы — после возврата клетки к нормальной температуре агрегированные белки распутываются и возобновляют свои обычные функции. Некоторые белки оставались неповреждёнными и даже функциональными, находясь в агрегированном состоянии.

Эти результаты проливают новый свет на биологическую природу белковых агрегатов, которые долгое время считались токсичными тупиковыми продуктами, но всё чаще признаются новым уровнем клеточной организации.

Исследователи задались вопросами: какие белки агрегируют в клетке при остром тепловом шоке и что с ними происходит при восстановлении? К их удивлению, даже наиболее сильно агрегированные белки распадались и возвращались в оборот. Это позволяет предположить, что большинство этих агрегатов может быть частью скоординированного, эволюционно сложившегося процесса.

Несмотря на десятилетия исследований, многие вопросы о клеточном ответе на тепловой шок остаются. При воздействии стрессовых, но не летальных температур некоторые белки образуют крупные скопления — стрессовые гранулы. Исследования на мутантных клеточных линиях предполагали, что определённые типы стрессовых гранул уничтожаются клеткой, а их белковые компоненты, вероятно, создаются заново. Однако судьба подавляющего большинства белков в нормальных клетках оставалась неясной.

Чтобы изучить влияние теплового шока на нативные популяции белков, учёные использовали новый набор методик, позволивший одновременно отслеживать почти 1000 различных зрелых белков в клетках дрожжей. Клетки подвергали воздействию температур от 30°C (норма) до 46°C (сильный тепловой шок) на короткие промежутки времени (2–8 минут), а агрегацию белков измеряли с помощью масс-спектрометрии.

Было идентифицировано более 175 различных белков, агрегирующих в ответ на тепловой шок, — примерно шестая часть измеренных белков, что в 10 раз больше, чем было известно ранее. Конкретные белки образовывали гранулы в специфичных и отдельных местах клетки, что указывает на уровень организации. Однако агрегация происходила и во многих условиях, когда стрессовые гранулы не формировались, что говорит о родственных, но отдельных процессах.

Самый большой сюрприз ждал при изучении судьбы агрегированных белков. Белки метили изотопами (методика, аналогичная радиоуглеродному датированию в археологии) и отслеживали их в клетках во время теплового шока и восстановления. Оказалось, что агрегированные белки без исключения распутывались и возобновляли свои исходные функции после возврата клеток к нормальной температуре. Изотопное мечение исключило возможность деградации агрегированных белков и их замены новыми (немечеными).

Детальный анализ трёх белков, которые в норме образуют комплекс, присоединяющий аминокислоты к транспортным РНК (тРНК), показал, что даже в агрегированном состоянии после сильного теплового шока они формировали функциональный комплекс, который по-прежнему активно и точно обрабатывал тРНК.

В отличие от наблюдений в исследованиях на чужеродных белках и мутантных клетках, распад нативных агрегатов после теплового шока в нормальных клетках в этих условиях был практически полным. Агрегация, вероятно, инактивирует большинство белков, но удивительно, что некоторые могут оставаться активными в агрегированном состоянии. Всё это указывает на необходимость переосмыслить биологическое значение агрегации во время теплового шока.

Основываясь на предыдущих работах и собственных результатах, авторы предполагают, что ключевая цель агрегации белков при тепловом шоке — перестройка клеточной «фабрики», фокусирующая синтез белков на тех, что необходимы во время стресса. В некоторых случаях белки могут действовать как автономные термометры и исполнительные механизмы, чувствуя тепло и самоорганизуясь для активации или деактивации определённых клеточных функций.

Тепло-индуцированная агрегация обладает всеми признаками адаптивного ответа. Результаты предполагают существование уровня клеточной машинерии, который ощущает и реализует эти решения, формируя специфичные агрегаты в определённых местах и в определённое время.

Эти выводы также поднимают интригующие вопросы о природе белковых агрегатов, наблюдаемых при широком спектре нейродегенеративных заболеваний. Теперь команда работает над лучшим пониманием биологических функций агрегатов, особенно их роли в регуляции клеточных функций. Также начата работа по использованию температурно-чувствительных частей белков для биотехнологических применений, например, для разделения молекул в ответ на изменение температуры.