Исследователи показали, как клетки решают биохимические задачи при увеличении размера

Клетки одного типа могут сильно различаться по размеру, но содержание ДНК в них остается одинаковым. Это создавало загадку: как более крупные клетки с более низкой концентрацией ДНК поддерживают правильную концентрацию всех биомолекул?

Команда исследователей из Пенсильванского университета показала, что по мере роста объема клетки транскрипция ДНК в mRNA происходит быстрее. Это позволяет крупным клеткам удовлетворять возросший спрос на молекулярные продукты.

Эксперименты и открытия

  • Используя флуоресцентно меченые молекулы, ученые наблюдали в реальном времени, что в более крупных клетках РНК транскрибируется с ДНК быстрее, а скорость ее деградации не меняется.
  • Чтобы установить причинно-следственную связь, исследователи сливали маленькие и большие клетки, получая клетки более чем в два раза крупнее и с удвоенной нагрузкой ДНК.
  • Результат: в слитых клетках ядра начинали производить больше РНК, «ощущая» дополнительный объем. Это впервые показало причинную связь между объемом и количеством копий РНК.
  • Ключевое открытие: клетка точно отслеживает не просто объем, а соотношение размера к нагрузке ДНК. В слитой клетке (в 2 раза больше, в 2 раза больше ДНК) возросшие потребности в транскрипции распределялись между двумя копиями генома.

Два различных механизма

Команда обнаружила два разных механизма, регулирующих скорость транскрипции mRNA:

  1. Компенсация различий в размере клеток: Когда клетки различаются по объему, но не по содержанию ДНК, импульсы транскрипции не меняют частоту, но становятся больше или меньше.
  2. Реакция на увеличение нагрузки ДНК: Во время митоза, когда в клетке временно находится вдвое больше ДНК при том же объеме, импульсы транскрипции происходят реже, чтобы каждая копия ДНК транскрибировалась меньше.

Конкретные молекулы (вероятно, смесь транскрипционных ферментов и гистонов), управляющие этой тонкой настройкой, еще предстоит идентифицировать.

Значение исследования

Эти фундаментальные открытия могут помочь:

  • Выявить клеточные механизмы таких заболеваний, как рак, где соотношение объема к нагрузке ДНК имеет значение.
  • Понять, как клетки поддерживают правильную биохимию на ранних стадиях эмбриогенеза, когда один крупный зародыш быстро делится на множество мелких клеток с огромными перепадами объема.

Исследование опубликовано в журнале Molecular Cell.