Клетки избегают многозадачности: причина метаболических колебаний перед делением

Учебники утверждают, что в делящихся клетках синтез новой ДНК достигает пика в S-фазе, в то время как производство других макромолекул, таких как белки, липиды и полисахариды, продолжается более или менее на одном уровне.

Молекулярные биологи из Университета Гронингена под руководством профессора Маттиаса Хайнемана обнаружили, что это не так: синтез белка показывает два пика, а синтез липидов — один. Эти сдвиги могут объяснить метаболические колебания, предшествующие делению клетки, которые группа обнаружила ранее. Новые результаты были опубликованы в Nature Metabolism 27 февраля.

Каждая делящаяся эукариотическая клетка проходит клеточный цикл: от фазы роста (G1) к фазе синтеза новой ДНК (S), промежуточной фазе (G2) и, наконец, фазе деления клетки посредством митоза (M). Учебники по клеточному делению утверждают, что, кроме синтеза ДНК, все другие молекулы в клетке, такие как белки, липиды и полисахариды, производятся с более или менее постоянной скоростью на всех фазах клеточного цикла.

Динамические измерения

Семь лет назад Маттиас Хайнеманн и его группа описали колебания в клеточном метаболизме, которые, по-видимому, организуют процесс деления эукариотической клетки. Теперь его команда изучила метаболизм более подробно и измерила скорость, с которой производятся белки, липиды и полисахариды во время клеточного цикла. И они обнаружили, что учебники ошибаются.

«Мы использовали динамические микроскопические измерения в отдельных клетках, чтобы показать, как производство разных макромолекул достигает пика в разное время», — объясняет Хайнеманн. Базовая скорость синтеза белка достигала пика во время фазы G1, снижалась в S-фазе и снова достигала пика во второй половине клеточного цикла. «Мы также обнаружили, что синтез как липидов, так и полисахаридов, строительных блоков для клеточной стенки, достигает пика только один раз: также во второй половине».

Строительные блоки

Для определения скорости синтеза белка учёные использовали установленный метод мониторинга флуоресцентных белков. Они также разработали второй, более сложный метод, с помощью которого смогли подтвердить, что производство белка, по-видимому, следует двухволновой модели.

«Нам пришлось разработать этот второй метод, потому что наши результаты противоречили тому, что мы и все остальные знали о метаболизме клеточного цикла», — говорит Вакиль Тахавеев, первый автор статьи. «В этом новом методе мы исследовали, насколько чувствительна клетка к ингибитору биосинтеза белка в каждый момент клеточного цикла. Оказалось, что эта чувствительность имеет пики в разных фазах клеточного цикла».

В своей статье в Nature Metabolism Хайнеманн и его команда показывают, что различные строительные блоки для клеток производятся не одновременно. Более того, исследователи показали, что весь центральный метаболизм должен измениться, чтобы удовлетворить это временно разделённое производство строительных блоков. Например, они обнаружили, что скорость потребления глюкозы, экскреции этанола и дыхания распределены по определённым фазам клеточного цикла.

Интересно, что эти новые измерения согласуются с их более ранними выводами, объясняет Хайнеманн: «Клетка должна активировать разные биосинтетические пути для производства аминокислот или липидов. Это вызывает изменения в потоках метаболитов, и это объясняет, почему мы ранее обнаружили метаболические колебания во время клеточного деления».

Однако остаётся вопрос, как именно это происходит и почему. «На данный момент мы можем только строить предположения», — говорит Хайнеманн. «Один аспект заключается в том, что если клетка просто растёт, все строительные блоки требуются одновременно. Но во время деления ситуация более сложная. Вполне возможно, что последовательность производства может помочь клетке в делении».

Рак и старение

Ключом к этому может быть осмотическое давление. «Представьте, что вы надуваете воздушный шар. Сначала вам нужно очень высокое давление, но как только он начинает расширяться, достаточно более низкого давления. Возможно, клетка сначала производит много белков, чтобы увеличить осмотическое давление внутри клетки, что может помочь в отделении дочерней клетки», — говорит Хайнеманн. «Повторюсь, это всего лишь предположение, но я действительно чувствую, что за наблюдаемыми нами закономерностями стоит биофизическая причина».

Он будет исследовать эти идеи и искать регулирующие механизмы, ответственные за разные фазы в синтезе клеточных строительных блоков. «Мы ещё не знаем, как это работает, но было бы чрезвычайно интересно выяснить и посмотреть, как эти регуляторные системы могут быть нарушены». Текущие выводы и будущая работа необходимы для фундаментального понимания клеточной физиологии и в конечном итоге помогут нам бороться с раком и старением.