Как масштабируется производство белка в клетках с несколькими наборами хромосом?

Большинство клеток человека, животных, растений и грибов содержат два набора хромосом. Однако в природе часто встречаются полиплоидные клетки с более чем двумя наборами хромосом. Полиплоидия играет роль в эволюции, функциональной специализации и возникновении заболеваний, включая рак.

Исследовательская группа под руководством профессора доктора Зузаны Шторховой из Технического университета Кайзерслаутерна (TUK) изучила, увеличивается ли содержание белков линейно с ростом числа наборов хромосом. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

С увеличением числа наборов хромосом растёт и объём клетки. Полиплоидия встречается при контролируемой дифференцировке многоклеточных организмов, в ответ на стресс, а также как ошибка. По оценкам, в 37% всех случаев рака у человека в ходе болезни происходит дупликация всего генома.

Для изучения эффектов полиплоидии учёные использовали пекарские дрожжи как модельный организм. Они создали штаммы дрожжей с разным числом наборов хромосом в клетках — от одного до четырёх. С помощью жидкостной хроматографии-тандемной масс-спектрометрии они количественно оценили состав протеома и сравнили данные.

Ключевой вывод: количество наборов хромосом и протеом масштабируются нелинейно. Клетки с четырьмя наборами хромосом содержали только в три раза больше белков, а не в четыре. Коэффициент масштабирования составил 0,75, что соответствует известной в биологии аллометрической зависимости между скоростью метаболизма и массой тела.

Механизм регуляции: с увеличением плоидности снижались цитоплазматическая трансляция и биогенез рибосом. Эти процессы играют ключевую роль в трансляции генетической информации и сборке белков.

Ответственной за «отключение» биосинтеза белка оказалась киназа TOR — ключевой метаболический регулятор у всех эукариот. Чем выше плоидность, тем менее активна киназа TOR. Это изменение активности также приводит к менее стабильному состоянию полиплоидии.

Исследование на линиях человеческих клеток дало сопоставимые результаты, однако детали требуют дальнейшего изучения.