Клеточная биология: Компартменты и сложность

Биологи из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) детально изучили распределение белков и метаболических промежуточных продуктов в клетках модельного растения. Результаты исследования дают новые представления о динамике метаболических процессов в клетках.

Эукариотические клетки — в данном случае растительные — содержат множество субклеточных компартментов, в которых протекают специфические наборы ферментативных реакций. Помимо классических органелл, ограниченных внутриклеточными мембранами, растворимая фаза цитоплазмы (цитозоль) также является местом определённых метаболических превращений. Как регулируются и координируются метаболические процессы в этих разнообразных компартментах, до конца не ясно. Используя резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) в качестве модели, команда под руководством биолога Томаса Нэгеле (профессора эволюционной клеточной биологии растений в LMU) смогла количественно определить субклеточное распределение широкого спектра белков и метаболитов в клетках листьев, выявив новые аспекты метаболической динамики. Исследование опубликовано в The Plant Journal.

«Часто влияние факторов окружающей среды на метаболизм растений можно охарактеризовать лишь приблизительно, поскольку клетки растений невозможно исследовать с необходимой точностью, — говорит Нэгеле. — Например, если определённые продукты метаболизма накапливаются в ответ на стресс, было невозможно установить, где именно в клетке это происходит — в заполненной жидкостью вакуоли, служащей хранилищем, в митохондрии, снабжающей клетку энергией, в цитозоле, где протекают многие метаболические реакции, или где-то ещё». Учёные модифицировали стандартный метод «неводного фракционирования», сделав его совместимым с высокопроизводительным анализом. Этот подход позволяет разобрать клетку на её компартменты и проанализировать содержимое каждого по отдельности.

Новая стратегия фракционирования позволила исследователям из LMU показать, что инактивирующая мутация в цитозольном ферменте гексокиназе значительно влияет на процессы, протекающие в хлоропластах (местах фотосинтеза) и митохондриях. Гексокиназа катализирует фосфорилирование углеводов, обеспечивая образование промежуточных продуктов, необходимых для многих других метаболических путей, включая дыхание растений. «Наши результаты показывают, что при дефекте гексокиназы в цитозоле накапливается глюкоза — и это сопровождается ростом её уровня в вакуоли, в то время как концентрации аминокислот глицина и серина в митохондриях значительно снижаются», — объясняет Нэгеле.

Эти две аминокислоты являются ключевыми промежуточными продуктами важного метаболического пути — фотодыхания, которое, по сути, противодействует фотосинтезу и особенно активируется при засухе. Следовательно, мутация в гексокиназе, вероятно, снижает фотодыхательную способность клетки. Это предположение подтверждается дальнейшим анализом влияния мутации на белки, играющие важную роль в фотодыхании. «Наше исследование показывает, что анализ на субклеточном уровне может выявить ключевые принципы регуляторных механизмов, контролирующих метаболизм растений, — говорит Нэгеле. — Наши усовершенствованные методы позволили выявить новые маркеры, которые теперь можно использовать в будущих исследованиях».