Как современная биологическая клетка обрела свою транспортную систему?
Внутренность современной растительной или животной клетки напоминает оживленный город. Как мегаполис с районами, связанными транспортной сетью, клетка имеет отдельные компартменты, соединенные динамической транспортной системой.
Один из таких комплексов — аппарат Гольджи — важен для многих клеточных функций. Ученые давно задавались вопросом: как такая сложная система компартментов и транспорта возникла внутри клетки?
Ученые из Национального центра биологических наук (NCBS) нашли возможный ответ, используя математический подход для изучения эволюции этой организации. Сомья Мани и Мукунд Тхаттай из Центра Саймонса в NCBS показали, что аппарат Гольджи с его транспортной системой может возникать спонтанно из простой модели без специального механизма отбора.
Аппарат Гольджи — это набор компартментов, необходимых для обработки, упаковки и транспорта белков и других молекул. Ключевая черта Гольджи — его организация как «цепи созревания», где разные компартменты имеют различный молекулярный состав и выполняют разные функции, особенно в синтезе и транспорте гигантских белков, таких как коллаген.
«Странно, что эта система созревания развилась для транспорта гигантских молекул. Вы не можете транспортировать большие молекулы, если вся система не работает, но если у системы созревания не было функции, что двигало её эволюцию? Это классическая проблема курицы и яйца», — говорит Мукунд Тхаттай.
Разные компартменты аппарата Гольджи соединены друг с другом и другими частями клетки через мобильные мембранные пузырьки — везикулы. Везикулы постоянно отпочковываются или сливаются с компартментами, формируя обще клеточную транспортную систему.
Чтобы исследовать происхождение аппарата Гольджи, Мани и Тхаттай смоделировали эту транспортную систему. На основе простых правил они смоделировали поток везикул, отпочковывающихся от исходных компартментов и сливающихся с целевыми. Эти события задавались матрицами отпочкования и слияния, создавая коллекцию смоделированных клеточных транспортных сетей, пришедших в равновесие.
Затем исследователи поступили нестандартно — они заполнили матрицы отпочкования и слияния случайным образом. Таким образом, события отпочкования и слияния были случайными, без какой-либо конкретной цели.
Результат оказался удивительным.
Примерно в 25% симуляций исследователи обнаружили транспортные сети, которые развили четкие паттерны, сильно напоминающие аппарат Гольджи. Это означает, что, несмотря на отсутствие механизма отбора для отпочкования или слияния, везикулярная транспортная сеть в клетке могла породить функциональную «цепь созревания» компартментов чисто случайно.
Другими словами, работа Мани и Тхаттая показывает, что эволюция аппарата Гольджи, вероятно, была неадаптивной — никакая система отбора не должна была подталкивать клетки к его развитию.
«Суть этой работы в том, что никакой другой цели [для возникновения Гольджи] не было. Но как только у клеток появился аппарат Гольджи — отлично! Это великолепная система для транспорта гигантских молекул, и клетки стали её использовать», — говорит Тхаттай о работе, описанной в недавней публикации в журнале eLife.
Ученые теперь планируют использовать свою модель для изучения инфекционных систем, таких как туберкулез и ВИЧ, которые вызываются внутриклеточными паразитами, захватывающими везикулярную транспортную систему клетки для собственных нужд.
«Параметры нашей модели легко интерпретировать в терминах биологических свойств транспортных молекул. Так что наша модель может дать ключи к молекулярным механизмам, которые паразиты вроде M. tuberculosis используют для захвата везикулярных транспортных систем. Мы также можем изучать механизмы, которые клетка могла бы использовать для восстановления нормальной транспортной системы после такой инфекции», — добавляет Мани.