Островки в мембране дрожжей, выявленные с помощью экстремальной микроскопии

Микробиологи из Университета Гронингена визуализировали крошечные островки в клеточной мембране пекарских дрожжей. Эти мембранные компартменты, по-видимому, служат для хранения транспортных белков перед их использованием. Учёные наблюдали, что эти белки движутся в плазматической мембране дрожжей крайне медленно, и выяснили, как они перемещаются через мембрану к островкам. Наблюдения были сделаны с помощью современной оптической микроскопии сверхвысокого разрешения. Результаты опубликованы в Nature Communications 5 февраля.

Ещё около 10 лет назад в учебниках по клеточной биологии клеточная мембрана изображалась как гомогенный липидный бислой со случайно встроенными мембранными белками. Однако это представление значительно изменилось с открытием различных фаз в мембране клеток млекопитающих. Липидный состав может различаться на «островках» в мембране, что влияет на распределение белков. Однако о подобных структурах в клетках дрожжей было известно очень мало.

«Исследования с помощью электронной микроскопии ещё в 1960-х годах показывали углубления в дрожжевой мембране, но их не изучали подробно и списывали на артефакты подготовки образцов, — объясняет профессор биохимии Университета Гронингена Берт Пулман. — Затем, около 10 лет назад, эти углубления были открыты заново. Учёные наблюдали банановидные белки, прикреплённые к внутренней стороне мембраны, которые, как оказалось, ответственны за эти углубления, названные эйзосомами».

Транспортёры

Используя различные флуоресцентные маркеры для мечения как транспортных белков в мембране, так и банановидных белков на внутренней стороне, группа Пулмана определила, какие белки колокализуются с эйзосомами. Поскольку углубление имеет глубину всего около 50 нанометров, а размер эйзосом составляет максимум 150 на 100 нанометров, для этого потребовалось экстремально высокое разрешение. «К счастью, в нашей лаборатории есть набор специализированных микроскопов, способных достичь такого экстремального разрешения в сочетании с высокой чувствительностью, необходимой для наблюдения за отдельными молекулами в живых клетках».

Исследования показали, что некоторые транспортеры аминокислот предпочтительно локализуются в эйзосоме. «Но только когда субстрат недоступен, — объясняет Пулман. — Если мы добавим нужную аминокислоту, белок удаляется от эйзосомы, вероятно, потому, что он принимает другую конформацию в состоянии, связанном с субстратом». Его гипотеза заключается в том, что эйзосомы защищают транспортные белки от рециклирования. «Белки синтезируются в клетке и затем транспортируются к мембране путём экзоцитоза. Однако, когда они не находятся в эйзосоме, эти белки быстро поглощаются обратно посредством эндоцитоза». Таким образом, транспортеры временно «хранятся» в эйзосомах. Когда снаружи клетки появляются соответствующие субстраты, они перемещаются, чтобы транспортировать аминокислоты в клетку, пока белки не перестанут быть нужными, после чего они рециклируются.

Диффузия

Не все белки присутствуют в эйзосомах. Пулман отмечает: «Например, мы заметили, что мембранные белки с крупными внутриклеточными доменами не могут в них проникнуть». Учёные предполагают, что банановидные белки на внутренней стороне мембраны мешают внутриклеточным доменам, что препятствует их диффузии в эйзосомы.

Группа Пулмана также оценила скорость диффузии белков в плазматической мембране дрожжей. Они наблюдали, что она примерно в тысячу раз ниже, чем в клетках млекопитающих или во внутренних мембранах дрожжевой клетки. «Плазматическая мембрана дрожжей более жёсткая. Она может выдерживать относительно высокие концентрации спирта или кислоты. Это, по-видимому, влияет на диффузию белков».

Результаты этого исследования дают лучшее понимание функционирования дрожжевой клеточной мембраны в целом и, в частности, островков-эйзосом. Они также предоставляют новую информацию о биогенезе и трафике мембранных транспортных белков, что со временем может повысить промышленную продуктивность дрожжей.