Если представить клетку как оркестр, что дирижирует симфонией?

Исследователи из Института Уайтхеда показывают, что, подобно дирижеру, определенные ключевые молекулы настраивают поведение клетки в соответствии с потребностями момента. Понимание того, как клетки упорядочивают сложные процессы, может оказаться решающим для восстановления здоровой функции в больных клетках.

Точная настройка активности генов

Модификации генома, многие из которых наследуются, называются эпигенетикой. Они позволяют клетке точно настраивать активность своих генов. Проблемы с эпигенетикой связаны со многими заболеваниями, включая синдром ломкой X-хромосомы и синдром Ретта. Исследовательница Мэри Геринг использует растение Arabidopsis в качестве модели для изучения того, как эпигенетика формирует экспрессию генов.

В недавнем исследовании Геринг и постдок Сяо-юй Чжэн изучили эпигенетические изменения в эндосперме, который обеспечивает питание развивающимся семенам. Они сосредоточились на хроматине — способе упаковки ДНК в ядре. Плотно упакованный хроматин может подавлять экспрессию генов. Чжэн и Геринг показали, как новая методика CUT&RUN может эффективно картировать модификации хроматина для всего генома эндосперма Arabidopsis, открывая новые пути для исследований влияния хроматина на экспрессию генов в развивающихся семенах.

Лаборатория Геринг теперь исследует, как использовать эпигенетику для создания сельскохозяйственных культур, устойчивых к суровым условиям. Лаборатория начинает фокусироваться на "сиротских культурах" — менее распространенных растениях, которые представляют собой в значительной степени неиспользованный источник генетического разнообразия и часто процветают в сложных условиях.

Танец клеточного деления

Для роста организмов клетки должны делиться миллиарды раз. Клетка, делящаяся на две дочерние, должна равномерно разделить свои хромосомы между двумя новыми ядрами. Исследователь Иэн Чизмен изучает инструменты, которые наши клетки используют для деления, и то, что идет не так в клетках, которые не могут делиться или не могут остановить деление.

Ученые хотели понять, как незрелые яйцеклетки — ооциты — сохраняют способность делиться в течение многих лет. В исследовании под руководством постдока Закари Сварца лаборатория изучила центромеру — часть хромосомы, к которой крепятся волокна, разделяющие хромосомы во время деления. Критической частью этого якоря является белок CENP-A, без которого клетка теряет способность делиться. Используя ооциты морской звезды в качестве модели, Сварц и Чизмен показали, что CENP-A медленно, но постоянно обновляется в ооцитах, что позволяет им оставаться в состоянии покоя годами, сохраняя способность к делению.

Лаборатория Чизмена теперь исследует, как омолодить центромеры в стареющих яйцеклетках. Это исследование может показать, как однажды модифицировать яйцеклетки, чтобы продлить окно женской фертильности.

Инженерия клеточной гармонии

Исследовательница Пулин Ли изучает, как клетки общаются друг с другом, чтобы формировать многоклеточные паттерны. Она фокусируется на молекулах, называемых морфогенами, — основном руководстве для развития тканей, предоставляющем план тела.

Выращивая клетки в чашках Петри и генетически модифицируя их для формирования паттернов, Ли надеется раскрыть фундаментальные правила формирования тканей. Это может помочь в решении давних вопросов о развитии и потенциально оказаться полезным для регенерации частей тела или заживления поврежденных тканей.

Подход Ли "снизу вверх" начинается с упрощенной системы: клетки-отправители передают сообщение, а клетки-получатели интерпретируют его и реагируют. Лаборатория стремится применить знания, полученные при изучении развития, для создания клеток, которые общаются, чтобы формировать специфические паттерны. Цель Ли — создать клетки, которые формируют паттерны самостоятельно, что является новым подходом в тканевой инженерии и регенеративной медицине.

Управление метаболизмом клетки

Чтобы выжить, клеткам необходимо регулировать свой метаболизм в зависимости от количества доступных питательных веществ. Нарушения в контроле роста и метаболизма клеток могут привести к таким заболеваниям, как диабет и рак. Исследователь Дэвид Сабатини изучает белок под названием механистическая мишень рапамицина (mTOR) — главный регулятор роста клеток. Сабатини является со-лауреатом Премии Шёберга 2020 года от Королевской шведской академии наук за свою роль в открытии белка mTOR и его роли в контроле метаболизма и роста клеток.

Лаборатория Сабатини изучает, как новые лекарства могут нацеливаться на mTOR или белки, регулирующие его активность. Исследование под руководством постдока Каспера Рогали описало новую структуру комплекса mTOR 1 — регуляторного белкового комплекса, включающего белок mTOR. Исследование показало, как комплекс mTOR 1 стыкуется с лизосомой — органеллой, которая расщепляет и перерабатывает материалы в клетке. Белки-партнеры позволяют комплексу пристыковаться только при высоком уровне питательных веществ и отталкивают его от лизосомы, когда клетка голодает. Этот механизм стыковки имеет решающее значение, потому что белковый комплекс активируется только на лизосоме.

Смежное исследование под руководством бывшего постдока Куан Шэня и Рогали предоставило высокодетальную структуру ключевого активатора комплекса mTOR 1, FLCN, и его белка-партнера FNIP2. Проблемы с FLCN могут привести к образованию опухолей. Эти структуры более детальны, чем любые предыдущие работы, давая исследователям точную информацию о том, как mTOR взаимодействует со своими регуляторными белками.

Заполняя пробелы в понимании того, как mTOR чувствует питательные вещества и как его белки-партнеры регулируют его, лаборатория Сабатини приближается к идентификации факторов, которые воздействуют на него с высокой специфичностью, не затрагивая другие важные клеточные пути.