Как старые клетки дрожжей отправляют дочерние клетки без груза старости

Накопление повреждённых белков — характерный признак старения, от которого не застрахованы даже обычные пекарские дрожжи. Однако старые дрожжевые клетки производят молодые дочерние клетки, лишённые характерных белковых скоплений. Исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрс, возможно, нашли объяснение наблюдаемому асимметричному распределению повреждённых белков между матерями и их молодыми дочерьми.

В статье, опубликованной 23 ноября 2011 года в журнале Cell, группа под руководством Ронг Ли, доктора философии, предполагает, что ограниченная подвижность сгустков повреждённых белков и геометрия дрожжевых клеток — в частности, узость соединения (шейки почкования) между матерью и дочерью перед их разделением — достаточны для того, чтобы белковые агрегаты, накопленные в процессе нормального старения, оставались в материнской клетке во время деления.

«Вредные белковые агрегаты недавно считалось, что отправляются обратно в материнскую клетку через направленную транспортную систему, — говорит Ли. — Наша модель предполагает, что для асимметричного разделения белковых агрегатов во время деления дрожжевых клеток может не требоваться активный механизм переноса».

У почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisae — важного модельного организма в исследованиях старения — продолжительность жизни определяется количеством произведённых матерью дочерних клеток, а не календарным временем. Этот процесс известен как репликативное старение. Дочерние клетки сбрасывают свои «часы» и начинают отсчёт числа пройденных делений с нуля.

Переход от молодости к старости сопровождается метаболическими изменениями и накоплением повреждений в результате износа. Ключевой вопрос в исследованиях старения — природа повреждений, способствующих старению, и то, как старые материнские клетки избегают передачи этих факторов старения своим дочерям.

Известно, что с репликативным возрастом коррелирует накопление агрегатов, образованных повреждёнными белками. «Эти белки предпочтительно удерживаются матерью во время формирования почки и деления клетки, — объясняет Ли. — Лучшее понимание репликативного старения клеточной популяции на основе асимметричных делений может дать представление о том, как высшие организмы поддерживают популяцию «молодых» стволовых клеток с высоким пролиферативным потенциалом в процессе старения».

Чтобы изучить движение и судьбу повреждённых белков в делящихся дрожжевых клетках, аспирант и первый автор Чуанкай Чжоу с помощью постдока Амра Эльдакака пометил зелёным флуоресцентным маркером белок Hsp104p, который, как известно, модифицирует и растворяет белковые агрегаты, разворачивая и повторно сворачивая белки. Затем Чжоу использовал визуализацию живых клеток, чтобы записать движение тысяч белковых агрегатов, вызванных тепловым шоком, в трёх измерениях.

«Большинство движений было ограничено почкой или матерью, но мы действительно наблюдали несколько перемещений из почки в мать и наоборот, — говорит Чжоу. — Однако в целом мы не смогли обнаружить какой-либо направленности в движении агрегатов». Чтобы строго охарактеризовать движение белковых агрегатов, Чжоу сотрудничал с научными советниками Стоуэрса Брайаном Слотором и Джеем Анрухом и использовал отслеживание частиц и вычислительный анализ, чтобы показать, что движение агрегатов лучше всего описывается как «случайное блуждание».

Съёмка с интервальной съёмкой также показала, что со временем агрегаты, вызванные тепловым шоком, исчезали из всех почек, а их количество резко падало в материнских клетках. Когда Чжоу внёс мутацию в Hsp104p, которая не влияет на его способность связываться с белковыми агрегатами, но нарушает его активность по повторному сворачиванию, агрегаты перестали исчезать как из материнской, так и из дочерней клетки. «Это показало нам, что тепловые агрегаты растворяются с помощью Hsp104p», — объясняет Чжоу.

Затем Чжоу обратил внимание на естественно возникающие белковые агрегаты, которые являются результатом окислительного повреждения в клетках более старшего репликативного возраста. Он обнаружил, что эти белковые сгустки следуют той же модели случайного блуждания, но со временем не растворяются. Однако эти агрегаты, по-видимому, двигались в пределах материнской клетки, не попадая в почку.

С помощью научного советника Стоуэрса Бориса Рубинштейна команда использовала 3D-численное моделирование, а также 1D-аналитическую модель, чтобы показать, что ограниченная, случайная подвижность агрегатов достаточна для объяснения их предпочтительного удержания в матери, и что узкое отверстие шейки почкования дополнительно помогает удерживать агрегаты внутри матери перед делением клетки.