Внеклеточные везикулы содержат ионные каналы, обеспечивающие межклеточный транспорт грузов

Учёные раскрыли секрет структурной целостности крошечных частиц, которые транспортируют грузы между клетками через кровеносные сосуды и биологические жидкости: специальные белки, которые сохраняют их мембраны неповреждёнными при изменении электрических импульсов в разных биологических средах.

Эти частицы, называемые внеклеточными везикулами (EVs), рассматриваются как перспективные модели для новых методов лекарственной терапии. Однако до сих пор у исследователей не было полного понимания их работы.

В новом исследовании команда под руководством учёных из Университета штата Огайо установила, что эти везикулы содержат ионный канал — белок, который открывает проход для электрических зарядов через защитную внешнюю мембрану. Это необходимый шаг для поддержания стабильности содержимого и условий внутри везикулы.

Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Эксперименты на животных также показали, что ионный канал влияет на груз, что означает важность этого белка не только для структуры внеклеточных везикул, но и для их функции. Исследователи сравнили эффекты молекул РНК, доставленных везикулами с белком мембраны и без него, мышам с больным сердцем. Только молекулы, переносимые везикулами с ионными каналами, смогли восстановить повреждение сердца.

Исследование совместно возглавили профессор физиологии и клеточной биологии Харприт Сингх и профессор экстренной медицины Махмуд Хан из Колледжа медицины Университета штата Огайо.

"Мы не только обнаружили ионные каналы в этих везикулах. Мы впервые зарегистрировали функциональные ионные каналы", — сказал Сингх.

Внеклеточные везикулы переносят белки и другие молекулы от клеток-доноров к клеткам-реципиентам, изменяя физиологические и биологические реакции. Помимо облегчения клеточной коммуникации и поддержания клеточного баланса, эти частицы связаны с иммунными ответами, вирусной инфекционностью, сердечно-сосудистыми заболеваниями, раком и неврологическими расстройствами.

Основываясь на своей специализации в изучении ионных каналов, Сингх предположил, что везикулы должны иметь ионные каналы для безопасной транспортировки молекул из внутриклеточной среды во внеклеточную и обратно в другой тип клетки. В противном случае их мембраны могут разорваться из-за притока воды, вызванного осмотическим стрессом, по мере изменения положительных и отрицательных электрических зарядов ионов в разных средах.

Для этой работы исследователи изолировали мышиные везикулы, предоставленные Ханом, чья лаборатория сосредоточена на восстановлении повреждённой сердечной мышцы с помощью терапии стволовыми клетками.

Поскольку эти частицы чрезвычайно малы, учёные создали метод, названный ими "ближнепольной электрофизиологией", для регистрации токов в мембранах везикул. Метод установил наличие кальций-активируемого канала калия большой проводимости (BK_Ca).

Затем они изолировали везикулы от нормальных мышей и мышей с нокаутом гена, кодирующего BK-канал калия. Было обнаружено, что груз в везикулах от мышей с нокаутом сильно отличался по количеству и размеру, что указывает на функциональную роль канала BK_Ca.

Несколько малых сегментов РНК, регулирующих активацию генов, обнаруженных среди груза в везикулах нормальных мышей, как известно, помогают защитить сердце от окислительного стресса. Везикулы от мышей, лишённых гена BK-канала, содержали другой набор этих сегментов, называемых микроРНК.

Это открытие привело к экспериментам на животных в лаборатории Хана, где везикулы от нормальных мышей и мышей с нокаутированным геном BK вводили мышам с больным сердцем.

"Везикулы от диких животных защищали сердце. Везикулы от мышей с нокаутом не могли должным образом защитить сердце и, фактически, усугубляли ситуацию. Плохие микроРНК были обогащены в везикулах, не имеющих канала", — сказал Сингх.

Другой главный открытый вопрос — идентификация белков, называемых транспортерами, которые позволяют везикулам поддерживать ионный баланс при переходе из внеклеточной среды обратно в клетку с высокой концентрацией калия.

Помимо углубления фундаментальных знаний о внеклеточных везикулах, эта работа может способствовать развитию их использования в качестве терапевтических средств.

"Если вы загружаете эти везикулы заряженными молекулами — будь то лекарство, РНК, белки или что-то ещё — и не управляете ионным гомеостазом, будут последствия. Вот наш главный вывод: если вы биоинженерите везикулы, у вас должна быть правильная комбинация ионных каналов и транспортеров", — заключил Сингх.