Ферментные тюрьмы: клеточная сигнализация одной молекулой

Исследователи из Центра Макса Дельбрюка ответили на вопрос, который озадачивал учёных около 40 лет. В журнале Cell группа объяснила, как клетки могут активировать совершенно разные сигнальные пути, используя только одну сигнальную молекулу — нуклеотид cAMP. Для этого молекула фактически заключена в нанометровые пространства.

Противоречие и его решение

С 1980-х годов было известно, что два разных рецептора клеток сердца высвобождают одинаковое количество cAMP в ответ на внешний сигнал, но внутри клетки производят совершенно разные эффекты. Это противоречило представлению о свободной диффузии cAMP по всей клетке.

Исследование показало, что большинство молекул cAMP не могут свободно перемещаться в клетке, а связаны с определёнными белками, особенно с протеинкиназами. Концентрация свободного cAMP в клетке на самом деле очень низка.

Принцип «швейцарского сыра»

Медленно работающие ферменты фосфодиэстеразы (PDE) успевают создавать вокруг себя нанометровые компартменты (отсеки), практически свободные от cAMP. Сигнальная молекула регулируется отдельно в каждом из этих крошечных отсеков, что позволяет клетке одновременно обрабатывать разные рецепторные сигналы.

«Вы можете представить эти очищенные отсеки как дырки в швейцарском сыре — или как крошечные тюрьмы, где медленно работающая PDE следит за гораздо более быстрым cAMP, чтобы он не вырвался и не вызвал непреднамеренных эффектов в клетке», — объясняет Паоло Аннибале.

Измерения в наномасштабе

Используя флуоресцентные молекулы cAMP и методы флуоресцентной спектроскопии (включая флуктуационную спектроскопию и анизотропию), команда отследила движение сигнальной молекулы. С помощью «нанометровых линеек» (удлинённых белков) удалось измерить размеры отсеков.

Измерения показали, что большинство компартментов меньше 10 нанометров (10 миллионных долей миллиметра). Таким образом, клетка создаёт тысячи отдельных доменов, где может регулировать cAMP независимо.

Чип, а не переключатель

«Это означает, что клетка действует не как единый переключатель вкл/выкл, а как целый чип, содержащий тысячи таких переключателей», — резюмирует профессор Мартин Лозе. Ошибкой прошлых экспериментов было использование слишком высоких концентраций cAMP, при которых все сайты связывания были заняты, и молекула могла свободно диффундировать.

Перспективы для медицины

Открытие компартментализации указывает на множество новых потенциальных мишеней для лекарств. Параллельное исследование из Сан-Диего показывает, что клетки начинают неконтролируемо делиться, когда их сигнальные пути больше не регулируются пространственным разделением. Также известно, что при сердечной недостаточности, например, меняется распределение концентраций cAMP в клетках сердца. Эта работа может открыть новые пути для исследований в области онкологии и сердечно-сосудистых заболеваний.