Пассивная адаптация: как клетки балансируют уровень белков
Каждой клетке для функционирования необходимы белки. Они синтезируются из аминокислот, но не могут накапливаться бесконечно. После выполнения своей функции или повреждения клетка должна их удалять.
Этот процесс называется «удалением белков» и включает их расщепление и рециклинг. Клетке необходимо постоянно поддерживать баланс между синтезом и удалением белков, особенно когда доступность ресурсов (аминокислот, энергии) колеблется.
Ключевой вопрос: как клетки регулируют скорость удаления белков при изменении скорости их синтеза? Известно, что эти процессы связаны, но не хватало количественного понимания их динамики.
«Если скорость синтеза белков упадет на 50%, наши клетки уменьшатся на 50%, если скорость их элиминации также не замедлится», — говорит профессор Дэвид Сутер из EPFL.
Его команда исследовала, как клетки млекопитающих координируют производство и удаление белков. Работа опубликована в Cell Systems.
«Мы обнаружили универсальное свойство клеток млекопитающих: их способность частично подстраивать скорость элиминации белков под изменения в скорости синтеза, в основном через механизм, который мы называем пассивной адаптацией».
Открытие пассивной адаптации
Исследователи использовали флуоресцентный белок, меняющий цвет со временем, чтобы отслеживать синтез и удаление белков в живых клетках.
Анализ показал два процесса: активный распад белков и их «разбавление» по мере роста и деления клеток. Данные сравнили с математической моделью, которая предсказывала: при замедлении синтеза клетка производит меньше компонентов своей деградационной машинерии, что, в свою очередь, замедляет удаление белков.
Во всех тестируемых условиях данные соответствовали модели: при снижении синтеза удаление белков замедлялось ровно настолько, чтобы частично скомпенсировать изменение. Это и есть пассивная адаптация — процесс, помогающий клеткам поддерживать безопасный уровень белков.
Такое же поведение наблюдалось и в клетках, не подвергавшихся внешним воздействиям, что указывает на естественность этой стратегии.
Особенность эмбриональных стволовых клеток
В мышиных эмбриональных стволовых клетках (ЭСК) ученые обнаружили дополнительный защитный механизм. При падении синтеза белков эти клетки активировали питательный путь mTOR. Эта реакция увеличивала белково-синтезирующую способность и дополнительно снижала распад белков, позволяя клеткам поддерживать их уровень почти постоянным.
«Даже если скорость синтеза белков падает на 50%, они поддерживают почти идеально постоянный уровень белков», — отмечает Сутер.
По его словам, такая устойчивость важна для реальных эмбрионов: «Мы считаем, что это может быть необходимо для клеток преимплантационного эмбриона, где условия суровы: нет кровоснабжения и ограничено количество питательных веществ. Это также может объяснить устойчивость бластоцист в простых условиях культивирования, которые изначально использовались в ЭКО».
Исследование проясняет, как клетки защищают белковый баланс при изменениях в доступности питательных веществ, в процессе развития или при стрессе. Оно также дает представление о том, как интерпретировать измерения стабильности белков и как ранние эмбриональные клетки сохраняют свою устойчивость.