Нано-белковая корона нарушает белковый гомеостаз и перестраивает клеточный метаболизм

Исследовательская группа под руководством профессора Чэнь Чуньин из Национального центра нанонауки и технологий (NCNST) Китайской академии наук (CAS) изучила эволюцию нано-белковой короны во время эндоцитоза и её влияние на белковый гомеостаз и клеточный метаболизм. Результаты опубликованы в PNAS.

При попадании наночастиц в биологические системы биомолекулы биологической жидкости быстро связываются с их поверхностью. Формирующаяся нано-белковая корона, образующаяся при взаимодействии с белками крови на первом этапе, сильно влияет на транспорт и судьбу наночастиц. Как её формирование сказывается на распознавании, транспорте, распределении, функции и биологических эффектах наночастиц в тканях и клетках различных барьерных систем — остаётся «чёрным ящиком» для медицинского применения наноматериалов, что ограничивает эффективность доставки нанолекарств и влияет на их действенность и безопасность.

Сложность нано-белковой короны, на которую влияет разнообразие биомолекул в разных тканях и органах, а также физиологические и патологические состояния, представляет собой серьёзную проблему. Сейчас остро необходимо понять, как белковый состав и структурные характеристики белковой короны эволюционируют внутри биологических микроокружений.

Для решения этой задачи исследователи с помощью инновационного применения многомерной мультиомики (протеомики, метаболомики, липидомики), анализа межмолекулярных взаимодействий и in situ масс-спектрометрической визуализации раскрыли закономерность динамической эволюции белкового состава нано-белковой короны в процессе клеточного транспорта.

На модели золотых наночастиц изучался динамический процесс эволюции белковой короны от кровеносной системы до внутриклеточного пространства (кровь–лизосома–цитоплазма). Когда наночастицы эндоцитировались из кровяного русла в лизосому, а затем выходили из лизосомы в цитоплазму, белковый состав на их поверхности резко менялся. Большинство белков заменялось внутриклеточными белковыми молекулами, сохранялась лишь часть компонентов короны, сформированной в крови.

Последующая внутриклеточная эволюция нано-белковой короны не только нарушала внутриклеточный белковый гомеостаз (протеостаз), но и вызывала обогащение поверхности внутриклеточной нанокороны шаперонными белками (HSC70, HSP90) и пируваткиназой M2 (PKM2), а также стимулировала шаперон-опосредованную аутофагию. Это, в свою очередь, влияло на гликолиз клетки, вызывая изменения в энергетическом метаболизме и регулируя процесс липидного метаболизма клетки.

Исследование проясняет закономерность эволюции наночастиц от крови до внутриклеточного микроокружения, выявляет специфичность внутриклеточной нано-белковой короны и её роль в перестройке клеточного метаболизма. Оно также даёт теоретическую основу для углублённого понимания сложных биологических эффектов наноматериалов и регуляции нанобиотического интерфейса.