Исследование показывает, как клетки выносят крупный мусор
Биохимисты 70 лет назад узнали, как клетки создают белки, но только сейчас изучают, как они избавляются от ненужных или нефункциональных белков.
Клетки имеют две системы утилизации, объясняет Ричард Виерстра из Вашингтонского университета в Сент-Луисе:
- Протеасома — подобна измельчителю мусора.
- Аутофагосома — справляется с более крупными объектами, как мешок для мусора.
Ранее считалось, что аутофагия неселективна. Однако Виерстра и его коллега Ричард Маршалл показали, что аутофагия (в условиях, отличных от голодания клетки) также тщательно регулируется.
В 2015 году они продемонстрировали на модели растения Arabidopsis, что набор меток (тегов) и рецепторов-адаптеров контролирует, что попадает в "мешок для мусора". В выпуске Cell Reports от 29 июля 2016 года они сообщают, что этот путь существует и в дрожжах, и, вероятно, у людей, хотя рецепторы-адаптеры у каждого организма разные.
Этот путь вовлечен в различные нейропатологии: болезнь Хантингтона, Альцгеймера, Паркинсона и БАС. При этих заболеваниях клетки не могут очистить агрегаты поврежденных белков.
Умный измельчитель (протеасома)
Ферменты помечают ненужные белки белком убиквитином. Белки с цепями убиквитина доставляются к протеасоме, разворачиваются и расщепляются внутри нее.
Умный мешок для мусора (аутофагия)
Аутофагия нужна для утилизации крупных комплексов, которые не проходят в протеасому. Клетка формирует везикулу (аутофагосому), которая захватывает "мусор" и направляет его в вакуоль/лизосому для переваривания.
В 2015 году ученые показали, что "убитые" протеасомы в Arabidopsis метятся цепями убиквитина, а затем рецептор-адаптер RPN10 направляет их в аутофагосому. В дрожжах эту роль выполняет другой адаптер — Cue5.
Связь с болезнями человека
Патологический белок при болезни Хантингтона также имеет убиквитин-связывающий CUE-домен. Изучая процесс, Маршалл обнаружил, что "убитые" протеасомы сначала агрегируют (слипаются).
Клетки сортируют поврежденные белки в два "кладбища":
- JUNQ — обратимая агрегация.
- IPOD — необратимая агрегация.
Сортировку осуществляют белки-шапероны. Оказалось, что агрегация протеасом требует шаперона Hsp42. Hsp42 чувствует "смерть" протеасомы, помогает ей агрегировать, после чего фермент покрывает ее убиквитином. Рецептор Cue5 узнает убиквитин и прикрепляет агрегат к мембране аутофагосомы.
Флуоресцируя зеленым
Ключевая ценность работы — создание простого теста (анализа) для изучения аутофагии. Протеасомы метятся зеленым флуоресцентным белком (GFP). При их аутофагии GFP высвобождается и накапливается в вакуоли, что служит маркером процесса.
Именно этот тест позволил быстро идентифицировать рецептор Cue5. Ученые проверили все известные нокауты рецепторов аутофагии, и только у нокаута по Cue5 свободный GFP не появлялся.
Этот анализ позволяет быстро изучать, что идет не так при болезнях, связанных с агрегацией белков, так как агрегацию протеасом можно легко и воспроизводимо запустить с помощью препарата.