Исследователи разработали метод измерения стресса молекул в клетках

Биофизики из Университета Пенсильвании помогли разработать новый метод изучения того, как белки реагируют на физический стресс, и применили его для лучшего понимания структур, обеспечивающих стабильность, в нормальных и мутировавших эритроцитах.

Исследование было проведено Деннисом Дишером и Кристин Кригер в Лаборатории молекулярной и клеточной биофизики, совместно с учёными из Нью-Йоркского центра крови и Института Уистара.

Работа опубликована онлайн в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Внутренняя архитектура человеческого тела в основном мягкая. Органы, ткани и структуры должны быть гибкими, чтобы функционировать. Исследование лаборатории Дишера направлено на понимание того, что сохраняет стабильность этих гибких структур под постоянным физическим стрессом. В качестве модели были выбраны эритроциты, которые совершают полный круг по турбулентной кровеносной системе каждые несколько минут, но живут месяцами.

«Эритроциты — это диски, и у них есть белки прямо под мембраной, которые придают ей устойчивость, как автомобильной шине», — сказал Дишер.

Для измерения стресса в мембране на атомном уровне команде нужен был способ отслеживать изменения формы этих опорных белков. Идеальным индикатором такого стресса стала аминокислота цистеин.

Цистеин гидрофобен; он плохо взаимодействует с водой и обычно находится внутри белка. Поскольку стресс меняет форму этих сложенных белков, измерение степени экспонирования цистеина фактически измеряет уровень стресса белка и клетки.

Команда смоделировала силы сдвига, возникающие от биения сердца, которые разрывают складки, удерживающие цистеин внутри белков у мембраны эритроцита, позволяя ему связываться с флуоресцентным маркером. Уровни меченого цистеина тестировали с помощью масс-спектрометрии.

«Мы можем использовать эту технику, чтобы изучить взаимосвязь между структурой, гибкостью и функцией», — сказал Дишер.

Исследование структурных элементов клеток крови может привести к прорывам в здравоохранении.

Команда изучила мутировавшие клетки крови, которые приводят к расстройству, известному как эллиптоцитоз; клетки эллиптические, а не круглые, и поэтому имеют более короткий срок функциональной жизни. В этих клетках часто отсутствует химическая «заклёпка», которая закрепляет опорные белки на внешней мембране, из-за чего стресс заставляет их «диссоциировать», а не разворачиваться.

Такое структурное изменение губительно для функции клеток. Гибкость, обеспечиваемая разворачиванием, является ключом к их общей стабильности.

«По крайней мере, для этой клетки первый механизм ответа — развернуть белки, сохраняя взаимодействия между белками неизменными», — сказал Дишер.

Дишер и его коллеги планируют использовать свою технику цистеин-масс-спектрометрии для изучения роли мягкости и гибкости в реакции на стресс в других биологических системах, особенно в стволовых клетках.