Клетки расслабляют свою мембрану для контроля сортировки белков

Натяжение внешней мембраны клеток играет важную роль во многих биологических процессах. Например, локальное снижение натяжения облегчает изгиб поверхности внутрь и образование инвагинаций, которые становятся свободными везикулами внутри клетки. Эти везикулы ограничены мембраной, содержащей все белки, изначально присутствовавшие в инвагинациях. Фундаментальная функция этих так называемых эндосом — сортировать белки к их клеточному назначению (например, повторному использованию или деградации). Модулируются ли функции эндосом вариациями натяжения?

Ученые из Женевского университета (UNIGE) и Национального центра компетенций в области химической биологии ответили утвердительно благодаря своему высокоточному исследованию, опубликованному в журнале Nature Cell Biology. Используя молекулярные зонды собственной разработки, междисциплинарная команда измерила натяжение мембраны эндосом, входящих в состав клеточного сортировочного центра, и показала, что это расслабление помогает формировать везикулы внутри эндосом — так называемые интралюминальные везикулы (ILVs), которые переносят белки, предназначенные для деградации. Это открытие фундаментальной важности, которое может иметь значение в области онкологии и дегенеративных заболеваний.

Молекулярные зонды

Одна из задач Национального центра компетенций в области химической биологии (NCCR) — использование химических инструментов в реальном времени для измерения физических свойств внутренних структур живой клетки. Для этого команда NCCR разработала молекулярные зонды, способные проникать в клетки и избирательно связываться с мембраной определенных органелл (митохондрий, эндоплазматического ретикулума, лизосом и др.). Особенность этих микроскопических инструментов в том, что они меняют свою флуоресценцию при искажении из-за изменения натяжения мембраны, в которую они встроены.

«Мешки для мусора»

Первым физиологическим процессом, который команда решила изучить с помощью нового инструмента, стало образование интралюминальных везикул (ILVs) внутри органеллы. Эти ILVs можно сравнить с крошечными мешками для мусора, содержащими белки и другие соединения, которые необходимо утилизировать. Эндосомы затем транспортируют ILVs к лизосомам — клеточным «электростанциям» по разрушению и переработке отходов. Цель исследования — определить, может ли падение натяжения мембраны органеллы быть ответственным за образование ILVs, и, следовательно, регулируется ли сортировка белков в клетке физическими свойствами мембраны.

«Мы подвергли наши клетки гипертоническому шоку, то есть увеличили концентрацию растворенных веществ в их среде», — говорит Венсан Мерсье, первый автор статьи. «В ответ клетки вытеснили воду, чтобы уравнять концентрации. Их объем уменьшился, как и натяжение мембраны. Используя наши зонды, мы наблюдали, что мембрана эндосом расслаблялась так же, как мембрана всей клетки».

Более того, это падение натяжения сопровождалось мобилизацией на поверхности органелл соединений, необходимых для формирования комплекса ESCRT-III — главной молекулярной машины, требуемой для производства ILVs. Другой эксперимент подтвердил эти данные фактическим производством ILVs.

Контроль натяжения

«Мы также подвергли клетки воздействию эпидермального фактора роста (EGF), который, как известно, запускает производство ILVs после каскада реакций», — говорит профессор Орельен Ру. «Используя те же зонды, мы смогли вычислить, что этот процесс также сопровождается падением натяжения мембран органелл. Эти результаты, полученные благодаря междисциплинарному сотрудничеству, объединяющему навыки в биологии, химии и физике, позволяют нам заключить, что натяжение мембраны контролирует функции органелл».

Это важный вывод, поскольку образование ILVs из мембраны эндосом — процесс, необходимый для правильного функционирования клеток. В данном конкретном случае этот биомеханический аппарат может использоваться для захвата и быстрого уничтожения EGF, тем самым прерывая сигнал, доставляемый этим фактором роста. Нарушение этого контрольного механизма часто связано с возникновением рака или дегенеративных заболеваний.