Белковый «молчаливый код» влияет на движение клеток
Белок актин повсеместно распространен и необходим для жизни. У млекопитающих каждая клетка экспрессирует две его формы: бета-актин и гамма-немышечный актин. Несмотря на различные роли, эти формы почти идентичны, разделяя 99% своей аминокислотной последовательности.
Исследование Анны Кашиной из Пенсильванского университета и ее коллег показало, что вопреки научной догме, не небольшие различия в аминокислотной последовательности определяют различные функции этих белков в клетке. Вместо этого, их нуклеотидные последовательности — «буквы», составляющие их кодирующую ДНК-последовательность, которые различаются примерно на 13% между двумя формами, — ответственны за их индивидуальные роли в выживании организмов и миграции клеток.
В новом исследовании ученые предлагают объяснение этому: мРНК бета-актина трансформируется в белок быстрее, чем мРНК гамма-актина. Обе формы помогают клеткам двигаться, но более высокая скорость бета-актина, по-видимому, заставляет клетку сильнее прикрепляться к субстрату, замедляя движение клетки.
«На глобальном, философском уровне это расширяет наше понимание генетического кода, — говорит Кашина, профессор биохимии и старший автор исследования, опубликованного в журнале eLife. — Раньше мы считали, что роль нуклеотидов заключается в кодировании аминокислот, но теперь мы видим, что белки с одинаковой аминокислотной последовательностью имеют разную скорость трансляции, и это влияет на их функцию».
Кашина использует термин «молчаливый код» для обозначения влияния этих различий в нуклеотидах. В более ранней работе ее команда показала, что у мышей редактирование аминокислотной последовательности при сохранении «молчаливого» нуклеотидного кода может заставить гамма-актин вести себя как бета-актин в организме. Обычно мыши, лишенные бета-актина, умирают до рождения, но исследователи показали, что редактирование гена бета-актина так, чтобы он имел ту же аминокислотную последовательность, что и гамма-актин, сохраняло мышей живыми благодаря различиям в нуклеотидах.
Результат более ранней статьи, также опубликованной в eLife, мотивировал новую работу. В том исследовании ученые обнаружили, что РНК бета-актина имеет гораздо более высокую плотность рибосом, чем РНК гамма-актина. Рибосомы играют ключевую роль в синтезе белка из РНК, что привело ученых к гипотезе, что эта разница в скорости трансляции белка может быть ответственна за различные функции гамма- и бета-актина.
Для проверки идеи они использовали клеточные линии для экспрессии только кодирующих участков бета- и гамма-актина в клетках мыши, а также их отредактированных версий: бета-актина, отредактированного для получения аминокислотной последовательности гамма-актина, и наоборот для гамма-актина.
В эксперименте по заживлению «раны» исследователи обнаружили, что нуклеотидная последовательность имеет первостепенное значение для определения скорости, с которой актин способствует движению клеток. Клетки, экспрессирующие только типичный бета-актин, мигрировали с обычной скоростью, но клетки, экспрессирующие гамма-актин, двигались в два раза быстрее. Клетки, содержащие отредактированные версии актина, доказали, что эта разница зависит от нуклеотидной последовательности. Бета-актин, отредактированный для получения аминокислотной последовательности гамма-актина, двигался как клетки, экспрессирующие гамма-актин, а клетки с гамма-актином, отредактированным для получения аминокислотной последовательности бета-актина, двигались со скоростью клеток, экспрессирующих бета-актин.
Эти результаты удивили исследователей, поскольку они ожидали, что более высокая плотность рибосом в мРНК бета-актина может обеспечивать более быструю трансляцию и, следовательно, более быстрое движение. И действительно, когда они измерили скорость трансляции на уровне одной молекулы, они обнаружили, что трансляция бета-актина происходит примерно в два раза быстрее, чем гамма-актина.
«Мы ожидали, что более быстрая трансляция будет означать более быстрое движение, — говорит Кашина, — и это не то, что мы обнаружили. Нам потребовалось много времени, чтобы объяснить почему».
В конечном итоге они обнаружили, что хотя субъединицы бета-актина могут поставляться быстрее, чем гамма-актина, эта скорость работала в ущерб скорости миграции клеток.
«Мы обнаружили, что чем быстрее вы его поставляете, тем лучше клетка прикрепляется к субстрату, — говорит Кашина. — Это создает правильное сцепление, которое необходимо для нормальной миграции. А если вы поставляете его недостаточно быстро, клетка не может правильно прикрепиться и начинает скользить. Это объяснило наши, казалось бы, нелогичные результаты».
Кашина и коллеги планируют продолжить изучение роли нуклеотидной последовательности, включая вопрос, почему эволюционные силы привели к появлению таких похожих форм актина, и работает ли «молчаливый код» в других белках.
«Мы думаем, что это часть более масштабной истории, — говорит Кашина. — Мы считаем, что актины — не единственные белки, которые ведут себя таким образом. В геноме человека существует ряд семейств белков, содержащих высокосходные белки, кодируемые разными генами. Этот молчаливый код может работать и в этих семействах».