Как белковые конденсаты определяют судьбу клетки
Клетка может действовать удивительно сложным образом. Она должна самостоятельно решать, расти и делиться, отдыхать, специализироваться, стареть или умирать. Это справедливо как для клеток млекопитающих, так и для, казалось бы, простых микробов.
Клетки получают сигналы не только извне, но и изнутри — например, о своем возрасте или количестве доступной энергии. Чтобы собрать всю необходимую информацию, молекулы со всей клетки собираются и образуют агрегаты разной консистенции — от жидкой до гелеобразной или твердой. Ученые называют эти места сбора информации «конденсатами».
Сгустки для принятия решений
До сих пор было неясно, как именно эти конденсаты участвуют в клеточном обмене информацией. Исследователи из ETH Zurich под руководством профессора биологии Ива Барраля обнаружили, как это работает в дрожжевых клетках. Их исследование опубликовано в журнале Molecular Cell.
Ученые сосредоточились на старении клеток, чтобы понять, как молекулярные кластеры влияют на решения дрожжевой клетки. «Поскольку клетка может стареть независимо от окружающей среды, это идеальный фокус для нашего исследования», — объясняет Том Пескетт, постдок в группе Барраля и первый автор работы.
Два конденсата должны взаимодействовать
С помощью микрофлюидики, которая позволяет манипулировать крошечными объемами жидкости, Пескетт и его коллеги захватили отдельные дрожжевые клетки. С помощью светового микроскопа они наблюдали, как клетки делятся и стареют с каждым делением, что в конечном итоге приводит к их смерти через три-четыре дня. Ученые заметили, что с возрастом внутри клеток формируются определенные белковые конденсаты — P-тельца и Whi3-конденсаты.
Исследователи показали, что два конденсата работают вместе, чтобы остановить деление клетки в старости. Конденсаты связывают молекулы РНК и подавляют производство белков, участвующих в клеточном цикле деления. «Если мы нарушим один из двух конденсатов, клетки продолжают делиться даже в преклонном возрасте», — объясняет Пескетт.
Чтобы изучить важность взаимодействия между конденсатами, биологи ETH искусственно вызвали образование Whi3-конденсатов. Это заставило клетки начать стареть раньше обычного. «Это ясно показывает, что агрегация этих белков влияет на решение клетки "уйти на пенсию" и приблизиться к концу своей жизни», — говорит профессор ETH Барраль. Однако это сработало только в клетках, содержащих оба конденсата — и Whi3, и P-тельца. «Взаимодействие между двумя конденсатами имеет решающее значение», — заключает Барраль.
Активное решение против спаривания
Конденсаты также стояли за решением клетки прекратить попытки спаривания. Молодые дрожжевые клетки спариваются, посылая друг другу сигналы с помощью специфических феромонов. Как только они обнаруживают друг друга, они решают больше не делиться и вместо этого формируют выросты для спаривания, позволяющие слиться с другой клеткой. До сих пор исследователи предполагали, что старые дрожжевые клетки стерильны и не реагируют на феромоны потенциальных партнеров.
Исследователи ETH обнаружили, что старые клетки действительно реагируют на феромоны, но очень быстро прекращают попытки спаривания. «Это решение обусловлено конденсатами. Если мы предотвратим их образование, старые клетки реагируют на феромоны так же, как молодые», — подчеркивает Барраль.
В целом, эти результаты показывают, что эта сеть конденсатов контролирует два очень разных решения: прекратить клеточный цикл и избежать спаривания в старости. «Конденсаты позволяют клетке оценить свой возраст или наличие потенциальных партнеров и соответствующим образом скорректировать свое поведение», — объясняет Барраль.
Результаты также показывают, что конденсаты и их взаимодействия объясняют, как молекулы со всей клетки собираются вместе для обмена важной информацией. «Как будто они самоорганизуются в молекулярные комитеты, которые контролируют решения клетки», — добавляет Пескетт.
Многие клетки принимают решения, вредные для нас как индивидуумов — например, когда раковые клетки решают быстро размножаться. Бактерии решают перейти в спящее состояние при встрече с антибиотиками и просыпаются снова, вызывая рецидивирующую инфекцию. С возрастом наши стволовые клетки перестают производить новые клетки, в результате чего травмы заживают дольше.
«Полученные данные предполагают новый подход к изменению таких решений. Однако необходимы дальнейшие исследования для разработки лекарств, специфически нацеленных на конденсаты, чтобы в конечном итоге применить эти знания в клинической практике», — подчеркивает Барраль.