Впервые визуализирован процесс рождения белков в живых клетках
Ученые из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна впервые разработали технологию, позволяющую «видеть» отдельные молекулы матричной РНК (mRNA) в процессе их трансляции в белки в живых клетках млекопитающих. Первые результаты, полученные с её помощью и способные пролить свет на неврологические заболевания и рак, опубликованы в Science.
Трансляция — это фундаментальный биологический процесс преобразования информации mRNA в белки. Она контролирует количество белков в клетках, что критически важно для всех их функций. Новая технология позволяет, наконец, изучить, как регулируется трансляция, и понять механизмы заболеваний, возникающих при её нарушениях.
Как это работает и что обнаружили
Процесс производства белков начинается с транскрипции ДНК в mRNA в ядре. Молекулы mRNA выходят в цитоплазму, где связываются с рибосомами, которые, используя mRNA как чертёж, синтезируют белки, соединяя аминокислоты. Технология Эйнштейна позволяет отслеживать отдельные молекулы mRNA в реальном времени и наблюдать за рождением белков.
Исследование проводилось на двух типах клеток: человеческих раковых клетках остеосаркомы и мышиных нейронах. Были сделаны два ключевых открытия:
В нейронах трансляция mRNA в белок происходит «всплесками» (bursts) — явление, которое ранее наблюдать не удавалось.
- Нейронам необходим жёсткий контроль синтеза белка в правильном месте (синапсах) и в нужном количестве. Такой «всплесковый» режим может быть оптимальным механизмом для этого.
- Невозможность контролировать эти всплески может лежать в основе неврологических заболеваний, таких как синдром ломкой X-хромосомы (связанный с избыточной выработкой белка) или, возможно, болезнь Альцгеймера.
В раковых клетках наблюдалась противоположная картина: поразительная неспособность регулировать трансляцию mRNA. Этот процесс был непрерывным.
- Поскольку белки играют ключевую роль в контроле деления клеток, неконтролируемая трансляция определённых белков может приводить к развитию некоторых видов рака.
Технология визуализации
Технология, разработанная в первую очередь Бин Ву (Bin Wu, Ph.D.), решала две задачи:
- Визуализация отдельных молекул mRNA. Была адаптирована методика, впервые позволившая визуализировать единичные молекулы mRNA в живых клетках (Molecular Cell, 1998).
- Визуализация рождающихся белков. Использовалась техника, в которой генетически закодированные одноцепочечные антитела, слитые с зелёным флуоресцентным белком (GFP), связываются с новообразованным белком, делая его видимым.
Для экспериментов к mRNA, кодирующей белок актин, добавляли mRNA для красного флуоресцентного белка и последовательность, направляющую комплекс к эндоплазматическому ретикулуму (ER). Этот пакет mRNA доставлялся в клетки с помощью ретровируса. После закрепления на ER начиналась активная трансляция.
Технология потенциально применима для изучения трансляции в клетках любого типа.