Как молекулы попадают в нужное место в нужное время
Активные транспортные процессы в клетках обеспечивают доставку белков со специализированными локальными функциями к их внутриклеточным пунктам назначения. Нарушение транспорта вызывает дисфункцию клетки или даже её гибель. Учёные из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Центра Гельмгольца в Мюнхене раскрыли, как такой транспортный комплекс распознаёт свой груз и собирается.
В многоклеточном организме разные клетки выполняют множество функций. Часто такая специализация зависит от доставки молекулярных грузов в определённые места внутри клетки. Это гарантирует, что конкретные функции происходят только в определённых клеточных участках. Создание внутриклеточной асимметрии в текучей среде цитоплазмы требует активных транспортных процессов. Особенно важным типом груза являются матричные РНК (mRNA) — копии генетической информации, хранящейся в ядре. В цитоплазме информация, закодированная в mRNA, используется для синтеза белков. Очевидно, что производство определённых белков в месте их будущего действия имеет смысл.
«К сожалению, мы очень мало знаем о молекулярной основе этой транспортной системы», — говорит доктор Дирк Нисинг. — «Мы расшифровали, как один из таких транспортных комплексов в клетках дрожжей распознаёт свою грузовую mRNA и инициирует сборку». Новые данные могут быть применимы и к высшим организмам, где транспортные процессы особенно критичны для функции клетки. Например, активность и пластичность синапсов — контактов между нейронами, ответственных за передачу нервных импульсов, — зависит от транспорта специфических mRNA из ядра вдоль нервных волокон. В случаях, когда локализация важна, неправильная доставка грузов вызывает хаос и приводит к гибели клетки.
Все клетки, содержащие ядро, также обладают цитоскелетом из нитевидных белковых тяжей, которые пронизывают внутриклеточное пространство как сеть рельсов. Моторные белки «шагают» по двум типам этих нитей — актиновым филаментам и микротрубочкам. По пути они могут переносить различные грузы: мембранные везикулы, матричные РНК, белки и даже целые органеллы. Нарушение этих сетей может вызвать хаос и привести к гибели клетки. Моторные белки должны распознавать и связываться с правильной системой волокон и соответствующим грузом. Для транспорта моторные белки взаимодействуют с множеством вспомогательных факторов, образуя крупные транспортные комплексы.
Хотя эти комплексы легко наблюдать в флуоресцентный микроскоп, попытки выяснить их детальный состав и структуру до сих пор не удавались. «Мы выбрали пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae в качестве модели, потому что у них простая система транспорта mRNA», — говорит доктор Мариса Мюллер. — «Задействовано лишь небольшое количество факторов, и все они уже идентифицированы».
«Мы знаем, что для активности транспорта mRNA, помимо моторного белка Myo4p, требуются факторы She2p и She3p», — добавляет Роланд Хейм. Известно, что She2p связывается с РНК, и считалось, что это единственный фактор, необходимый для распознавания mRNA, подлежащей транспортировке. Ожидалось, что это очень ранний шаг, происходящий в ядре, возможно, сразу после транскрипции mRNA с геномной ДНК.
Сам транспорт начинается в цитоплазме, то есть после экспорта mRNA из ядра. Здесь в игру вступает She3p. She3p действует как адаптер, формирующий мост между She2p (с присоединённым грузом mRNA) и моторным белком Myo4p. Используя комбинацию биохимических, биофизических методов и методов визуализации in vivo, команда Нисинга смогла выяснить, как, когда и в каком порядке собирается транспортный комплекс.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что She2p образует стабильные и специфичные комплексы с mRNA только в присутствии She3p, и только с mRNA, предназначенными для транспорта», — говорит Нисинг. — «Более того, She3p не только взаимодействует с She2p и мотором Myo4p, но и образует прямые контакты с mRNA. Связывания mRNA отдельными белками недостаточно для отбора транскриптов на транспорт. She2p, She3p и mRNA должны собраться вместе, чтобы позволить сформироваться стабильному и специфичному комплексу».
Более того, два белка проверяют «пассажирские билеты», так как комплекс остаётся стабильным только если mRNA несёт особую молекулярную метку, помечающую её как груз. Если метка отсутствует, комплекс быстро распадается. «Наши результаты ещё раз демонстрируют, как мало мы знаем об этом важнейшем клеточном процессе», — говорит Нисинг. — «Потребуется целая серия аналогичных экспериментов, чтобы понять механистическое сходство и различие между системами, опосредующими молекулярный транспорт у простых одноклеточных и сложных многоклеточных организмов».