Белки образуют гели, чтобы помочь клеткам чувствовать и реагировать на стресс

Согласно новому исследованию учёных из Чикагского университета, определённый белок внутри клеток чувствует угрожающие изменения в окружающей среде, такие как жара или голодание, и запускает адаптивный ответ, чтобы помочь клетке продолжать функционировать и расти в стрессовых условиях.

Когда клетки испытывают стресс, группы белков и молекул РНК внутри них образуют сгустки. Долгое время считалось, что эти сгустки — признак клеточного повреждения, скопления расплавленных, нефункциональных молекул, которые нужно утилизировать. Это согласуется с наблюдениями, что при многих неврологических заболеваниях человека, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и боковой амиотрофический склероз (БАС), в умирающих нервных клетках накапливаются белковые агрегаты.

В новом исследовании, опубликованном 9 марта 2017 года в журнале Cell, Д. Аллан Драммонд, PhD, и его коллеги показали, что молекула под названием poly(A)-binding protein (Pab1) образует сгустки в ответ на стрессовые условия как внутри клеток дрожжей, так и в изолированном виде в пробирке. То, что выглядит как сгустки, на самом деле является гидрогелем — как желе или зубная паста — который под микроскопом выглядит как круглые капли. Важнее всего то, что когда исследователи нарушали образование этого стресс-ассоциированного гидрогеля в живых клетках, эти клетки не могли справиться со стрессом. Формирование гидрогеля, другими словами, это не повреждение, а адаптивный ответ.

«Это похоже на организованную процедуру на случай чрезвычайной ситуации, как пожарная тревога, когда люди отходят от своих обычных рабочих мест и собираются большими группами в определённых местах, невредимые и вдали от опасности», — сказал Драммонд, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии и генетики человека в Чикагском университете.

Исследование стало результатом пятилетнего сотрудничества между Драммондом и Тобином Сосником, PhD, заведующим кафедрой биохимии и молекулярной биологии, во главе с двумя аспирантами, биофизиком Джошуа Рибаком и биохимиком Крисом Катански.

В последние годы всплеск исследований был сосредоточен на образовании белковых жидкостей и гидрогелей как способе самоорганизации и ремоделирования клеток. В одном процессе, называемом «фазовым разделением», две смешанные жидкости разделяются, как масло и уксус в заправке для салата. Чтобы вызвать фазовое разделение, в предыдущих исследованиях обычно использовались экстремальные условия в пробирке (высокие концентрации белка или добавки). Новое исследование показало, что нормальные уровни Pab1 могут подвергаться фазовому разделению — если столкнуться с изменениями температуры или pH, сопровождающими клеточный стресс.

«Температурная чувствительность этого процесса фазового разделения намного выше, чем у любой другой описанной молекулярной системы температурного восприятия», — сказал Драммонд.

Драммонд и его коллеги продолжают изучать, как этот процесс фазового разделения помогает клеткам выживать в условиях стресса. В статье исследователи предполагают, что это может быть связано с тем, что когда Pab1 высвобождает определённые матричные РНК (mRNA) во время стрессового ответа, это запускает трансляцию этих mRNA для кодирования новых, стресс-реактивных белков, которые помогают клеткам расти.

Исследователи также изучают, как гидрогелевые капли Pab1 снова рассеиваются на отдельные молекулы. Понимание обратного фазового разделения может дать ключ к пониманию того, как процесс может пойти не так. Например, при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера или БАС, наличие белковых агрегатов в нервных клетках может быть признаком того, что процесс фазового разделения начался как защитная реакция на стресс, но что-то пошло не так и помешало клеткам вернуться в нормальное состояние.

«Это первый пример того, что такие сгустки могут быть полезными», — сказал Драммонд.