Исследование на бескровных червях раскрывает, как органы сообщают о статусе жизненно важного гема

Учёные из Университета Мэриленда и Национальных институтов здоровья (NIH) впервые идентифицировали сигнальную систему, с помощью которой органы в организме животного могут сообщать о своей потребности в геме — железосодержащем кольце, необходимом для транспорта кислорода и многих других важных биологических процессов.

Это одно из нескольких крупных открытий профессора Икбала Хамзы и его группы, которые заполняют ключевые пробелы в понимании того, как животные расставляют приоритеты и распределяют свою потребность в геме, а также безопасно перемещают его внутри тела.

Гем, заключая токсичное железо в защитную молекулярную "клетку", позволяет организмам использовать способность железа связывать кислород и другие газы. Гем наиболее известен как ключевой компонент гемоглобина в эритроцитах. Однако гем в форме других гемопротеинов также участвует в таких важных процессах, как передача энергии внутри клеток, формирование мышц, работа иммунной системы и циркадных (внутренних) часов. Поэтому поддержание гомеостатического уровня гема критически важно.

В новой статье, опубликованной в Nature Cell Biology, Хамза и его соавторы показывают, как органы круглого червя (C. elegans) сообщают о статусе гема с помощью ранее неизвестной системы из двух компонентов.

• Первый компонент — фермент HRG-7, секретируемый из кишечника червя, который сообщает другим тканям об уровне гема в кишечнике.
• Второй компонент — сигнальное вещество BMP-5, обнаруженное в нервной системе. Оно "пожимает руку" белку HRG-7, обеспечивая двустороннюю передачу информации об уровне гема между кишечником и другими тканями.

"Долгое время считалось, что клетки в организме живут и умирают со своим запасом гема и не транспортируют его между клетками и органами", — отмечает Хамза. Согласно этой парадигме, ткани удовлетворяют свои потребности в геме исключительно за счёт его синтеза внутри отдельных клеток.

Однако новые данные о межтканевой коммуникации уровня гема у круглого червя, вместе с недавними открытиями других учёных, показывающими, что сам гем может действовать как сигнальная молекула, определяющая судьбу определённых типов клеток, указывают на то, что животные поддерживают оптимальный уровень гема в тканях с помощью межтканевого "диалога" и перераспределения гема между ними. Фактически, органы поддерживают гомеостаз гема, используя как внутриклеточный синтез, так и транспорт гема из окружающей среды от соседних клеток и тканей.

Исследователи отмечают, что для каждого компонента этого нового HRG-7-опосредованного сигнального пути есть свидетельства существования гомологичных компонентов у людей и других позвоночных. "Вполне возможно, что аналогичный... сигнальный путь может существовать у людей для регуляции метаболизма железа и гема".

История открытий о геме

Это последнее открытие основано на ряде предыдущих исследований под руководством Хамзы:

• Было обнаружено, что круглые черви используют белки HRG-1 для транспорта гема, полученного из бактерий, в свой кишечник.
• В 2013 году было показано, что этот же белок-транспортёр HRG1 позволяет людям перерабатывать более 5 миллионов эритроцитов в секунду в селезёнке и печени.
• В статье 2011 года в журнале Cell Хамза и коллеги выявили, что у круглых червей есть белок HRG-3, который используется в качестве межклеточного шаперона для транспорта гема от матери к эмбрионам.

Хамза начал изучать секреты транспорта гема в 2003 году. После неудачных попыток на традиционных моделях (дрожжи и мыши) он переключился на C. elegans — животное, которое не синтезирует гем, но нуждается в нём для выживания, не имеющее крови, но разделяющее с человеком ряд генов, необходимых для кроветворения.

Эти "бескровные черви" имеют несколько преимуществ для изучения коммуникации и транспорта гема: возможность контролировать поступление гема, манипулировать внутриклеточным уровнем гема и экспрессией генов транспортных и сигнальных белков. А благодаря прозрачной коже C. elegans использование флуоресцентных меток и микроскопов позволяет исследователям наблюдать за уровнем, транспортом и сигнализацией гема в живом организме целиком.