Исследователи выяснили, как клетки выживают при высокой концентрации соли

Клетки постоянно адаптируются к окружающей среде, чтобы выжить. Резкое повышение уровня осмолита, например соли, заставляет клетки терять воду и сжиматься. За считанные секунды они активируют механизм, позволяющий восстановить первоначальный объем воды и избежать гибели.

Исследование под руководством лабораторий доктора Посаса и доктора де Надаля из Института биомедицинских исследований (IRB Barcelona) и доктора Вальверде из Университета Помпеу Фабра (UPF) в сотрудничестве с группой доктора Моффата из Университета Торонто (Канада) было посвящено поиску генов, участвующих в выживании при осмотическом стрессе. С помощью полногеномного скрининга ученые обнаружили центральную роль гена LRRC8A в способности клеток переживать осмотический шок.

Этот ген кодирует белок, который формирует каналы в мембране, позволяющие ионам хлорида покидать клетку. «Используя модель эпителиальных клеток человека, а также другие типы клеток человека и мыши, мы смогли продемонстрировать, что этот канал открывается вскоре после воздействия на клетки высокой концентрации хлорида натрия (NaCl)», — объясняет доктор Де Надаль. Авторы также идентифицировали молекулярный механизм, вызывающий это быстрое открытие. Хлоридный канал фосфорилируется, то есть к определенной аминокислоте в его последовательности добавляется фосфатная группа, что активирует канал.

«Это был очень сложный проект, и нам потребовались годы, чтобы увидеть результат», — говорит доктор Мигель Анхель Вальверде. «Мы также показали, насколько жизненно важно активировать этот канал и выводить хлорид, чтобы запустить процесс восстановления объема и обеспечить выживание клеток с течением времени», — добавляет он.

Использование фиолетового красителя, окрашивающего только живые клетки, позволило исследователям наблюдать, что гибель клеток увеличивается примерно на 50%, когда активность этого хлоридного канала блокируется определенным соединением.

Ответ на старый вопрос

В 90-х годах в ключевых научных работах по регуляции клеточного объема был описан процесс, с помощью которого клетки регулируют свой объем для выживания. Было известно, что белки, ответственные за восстановление объема при солевом стрессе, требуют низких внутриклеточных концентраций для активации, но было неясно, как это происходит в таких неблагоприятных условиях. Это открытие дало ответ на вопрос, заданный исследователями годы назад: как хлорид покидает клетку, чтобы запустить весь процесс?

«Теперь у нас есть ответ на этот вопрос. Это канал LRRC8A снижает уровень хлорида в клетке», — говорит ведущий соавтор статьи доктор Селма Серра (UPF). «До сих пор мы хорошо понимали роль этого канала в адаптации клеток к средам с очень низкой концентрацией соли. Большой проблемой было выяснить, как один и тот же хлоридный канал может быть решающим в противоположном механизме. В начале проекта казалось, что это противоречит любой научной логике — что канал, используемый для сжатия клеток, также может их набухать».

С помощью электрофизиологических методов и флуоресцентной микроскопии живых клеток для определения внутриклеточного уровня хлорида исследователи продемонстрировали участие хлоридного канала LRRC8A в ответах на стимулы с высокой концентрацией соли.

Технический и концептуальный вызов

Изучение этого процесса на молекулярном уровне стало серьезной проблемой. Проводить исследования клеток in vivo, пока они подвергаются осмотическому шоку и сжимаются, очень сложно. «Представьте, что вы смотрите на сочный виноград, и вдруг он выглядит как изюм — это очень усложняет задачу», — говорят авторы.

Еще одним важным фактором является то, что в условиях стресса механизм активации хлоридного канала сильно отличается от описанного ранее в литературе. Ведущий соавтор статьи Предраг Стойакович говорит: «Большим сюрпризом стало открытие, что сигнальные пути в ответ на стресс, MAP-киназы, белки, которые мы изучали в лаборатории месяцами, напрямую ответственны за активацию этого канала». MAP-киназы — это группа сигнальных белков, которые добавляют фосфатные группы к другим белкам, активируя или деактивируя их. С помощью молекулярных методов авторы нашли в белке канала целевую последовательность для этих киназ. «Мы смогли идентифицировать конкретный остаток хлоридного канала, который приводит к активации под контролем MAP-киназного пути в ответ на стресс», — говорит докторант Стойакович.

Будущие последствия

«Это новое исследование открывает новые возможности для изучения адаптации клеток и выживания при солевом стрессе. Некоторые органы тела, например почки, часто подвергаются воздействию высокой концентрации соли, что может угрожать их выживанию. Знание того, какие молекулы контролируют выживание в этих условиях, может быть очень полезным для понимания определенных патологий, связанных с восстановлением объема в ответ на соли», — объясняет доктор Посас.

Кроме того, открытие роли этого канала в процессах клеточной регуляции имеет большое значение для многих патологий, связанных с белками, регулируемыми LRRC8A. Это может быть важно в таких ситуациях, как определенные виды артериальной гипертензии или церебральная ишемия.

Результаты опубликованы в журнале PNAS.