Нервные клетки оптимизируют энергию, контролируя распределение мРНК и белков
Нервные клетки используют удивительные стратегии для экономии энергии при выполнении ключевых задач. Исследователи из Университетской клиники Бонна (UKB), Университета Бонна и Университетского медицинского центра Гёттингена обнаружили, что программа энергосбережения нейронов определяет местоположение и количество матричной РНК (мРНК) и белков, и различается в зависимости от длины, времени жизни и других свойств конкретной молекулы. Работа опубликована в Nature Communications.
Энергосберегающие меры объясняют распределение белков
Мозг потребляет около 20% всей энергии тела. Нейрональные функции подчинены строгим энергетическим ограничениям. Команда показала, что синтез и деградация всех нейрональных молекул представляют собой особенно высокие клеточные энергозатраты и требуют мер по экономии энергии.
Белки производятся в процессе экспрессии генов, когда информация копируется с гена в мРНК, которая затем транслируется в белок. Современные методы позволяют точно картировать расположение отдельных копий мРНК и соответствующих белков в клетках и количественно определять тысячи их видов.
Исследовательская группа под руководством профессора Татьяны Тчумаченко объединила экспериментальные данные более чем 10 крупномасштабных скринингов мРНК и протеомики, охватывающих десятки тысяч молекулярных видов.
«Мы обнаружили, что стремление к сохранению энергии определяет количество и местоположение мРНК и белков, по-разному влияя на каждый молекулярный вид в зависимости от длины, времени жизни и других свойств молекулы», — объясняет первый автор Корнелиус Бергманн.
Результаты показывают, что энергетические затраты на синтез, транспорт и деградацию молекул, их пространственная локализация и общее количество ограничены энергоэффективными решениями. «Если бы определённые короткоживущие белки синтезировались в теле клетки, большая их часть не доходила бы живыми до синапсов из-за долгого времени в пути. Это была бы трата энергии на белки, которые не могут выполнить свою задачу», — добавляет профессор Тчумаченко.
Модельные расчёты показывают, что белки предпочтительно синтезируются в разветвлённых отростках нервной клетки — дендритах, если энергопотери «в пути» от тела клетки к синапсам больше, чем энергия, необходимая для транспорта мРНК в дендриты.
Новый взгляд на исследования экспрессии генов
Наиболее удивительным результатом для команды стало то, что физические свойства белков, такие как длина или время жизни, а не их специфическая функция, оказывают сильное влияние на энергобаланс и, следовательно, на место их синтеза.
Соавтор Канаан Мусаи подчёркивает: «Наша модель предлагает новую перспективу для корреляции десятков существующих наборов данных из разных лабораторий».