Исследователи изучили, как формируется фиксирующий углерод органелл посредством фазового разделения
Растения, водоросли и другие фотосинтезирующие организмы удаляют углекислый газ из воздуха, включая его в крахмалы в процессе, известном как фиксация углерода. У зеленых водорослей, на долю которых приходится до трети глобальной фиксации углерода, эта активность значительно усиливается органеллой, называемой пиреноидом. Новое исследование Мартина Йоникаса из Принстона и его коллег, опубликованное онлайн в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 27 августа 2019 года, изучает ген, важный для регуляции формы и количества пиреноидов, и углубляет наше понимание этого важного компонента глобального углеродного цикла.
У водорослей, как и у растений, задачу фиксации углерода выполняет фермент Rubisco внутри хлоропласта — клеточного компартмента, где происходит фотосинтез. У растений Rubisco распределен по всему хлоропласту, но у водорослей молекулы Rubisco собираются вместе, образуя отдельную структуру — пиреноид.
Эта структура собирается посредством процесса, известного как фазовое разделение, аналогично тому, как масло образует скопления в воде. Пиреноид окружен оболочкой на основе крахмала. У большинства видов пиреноид также содержит канальцы, которые проникают в него из тилакоида, где происходят светозависимые реакции фотосинтеза. Тилакоидные канальцы доставляют концентрированный углекислый газ к Rubisco, значительно повышая эффективность фермента — это очень важно для водорослей, поскольку они живут в водной среде, где доступ к CO2 может быть затруднен.
Предыдущие исследования группы Йоникаса показали, что пиреноид не является постоянной структурой клетки, а растворяется во время деления клетки, а затем заново формируется из небольших кластеров фазоразделенных белков, которые сливаются в большую массу. Хлоропласты водорослей обычно имеют только один пиреноид, потому что, подобно маслу, вылитому на воду, кластеры фазоразделенных белков сливаются, чтобы минимизировать площадь своей поверхности.
Проводя скрининг генов, влияющих на функцию пиреноида у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii, аспирант и первый автор исследования Алан Итакура и постдок Леиф Паллесен из группы Йоникаса обнаружили ген под названием SAGA1 (Starch Granules Abnormal-1), потеря которого приводит к плохому росту клеток. Когда исследователи, включая со-первого автора Кер Син (Синди) Чан из группы Говарда Гриффитса в Кембриджском университете, изучили мутантные клетки, они заметили, что у мутантов SAGA1 образуется несколько пиреноидов — до 10 на клетку. Это было удивительно, поскольку нормальные клетки почти всегда содержат только один пиреноид. Заинтригованные, команда решила изучить это дальше.
Поскольку белок SAGA1 предположительно содержит крахмал-связывающий домен, исследователи сначала проверили, влияет ли потеря гена SAGA1 на архитектуру крахмальных пластин, из которых состоит оболочка пиреноида. Действительно, пиреноиды в клетках с дефицитом SAGA1 имеют меньшее количество и аномально удлиненные крахмальные пластины в своих оболочках. Авторы также обнаружили свидетельства того, что белок SAGA1 связывается с Rubisco. Вместе эти данные позволяют предположить, что SAGA1 помогает направлять правильное формирование крахмальной оболочки пиреноида и прикрепление к ней Rubisco.
Но почему потеря SAGA1 влияет на количество пиреноидов? Результаты исследования показывают, что увеличенная площадь поверхности дефектных крахмальных оболочек приводит к образованию множественных пиреноидов. В норме крахмальные пластины имеют подходящий размер для создания одного пиреноида, но удлиненные крахмальные пластины у мутантов SAGA1 отщепляют части матрикса, что приводит к появлению лишних пиреноидов.
Хотя эта модель объясняет, почему в мутантах SAGA1 может появляться больше пиреноидов, она не объясняет, почему избыток пиреноидов препятствует росту клеток. Авторы обнаружили, что уровни Rubisco у мутантов SAGA1 не изменились, что говорит о распределении того же количества белка между несколькими пиреноидами. Однако исследователи заметили, что большинство этих дополнительных пиреноидов лишены сети тилакоидных канальцев. Пиреноиды без тилакоидной сети были бы лишены углекислого газа, что указывает на то, что содержащийся в них Rubisco бездействует и не способствует росту.
Эта работа предоставляет полезную новую модель, объясняющую, как периферический компонент — крахмальная оболочка — помогает клеткам регулировать количество пиреноидов. Авторы предполагают, что такой механизм может также применяться к биогенезу других фазоразделенных органелл, таких как стрессовые гранулы.