Наблюдение за производством новых белков в живых клетках

Исследователи из Колумбийского университета в сотрудничестве с биологами из Медицинского колледжа Бейлора сделали значительный шаг в понимании и визуализации синтеза белка, точно определяя, где и когда клетки производят новые белки. Команда доцента Вэя Мина разработала новую технику для получения высокодетальных изображений вновь синтезированных белков внутри живых клеток. Результаты опубликованы в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 9 июля (Том 110; Выпуск 28).

Синтез новых белков — ключевой этап экспрессии генов и основной процесс, с помощью которого клетки быстро реагируют на изменения среды при физиологических и патологических состояниях, таких как рак, аутизм и окислительный стресс. Протеом клетки динамичен и строго регулируется синтезом и деградацией белков.

Новая техника команды Мина использует дейтерий (более тяжёлый изотоп обычного водорода). При добавлении в питательную среду для культивирования клеток меченые дейтерием аминокислоты включаются клеточными механизмами в качестве строительных блоков для производства новых белков. Таким образом, только вновь синтезированные белки несут специальные атомы дейтерия, связанные с атомами углерода. Связи углерод-дейтерий (C–D) вибрируют на уникальной частоте, отличной от почти всех естественных химических связей в клетках.

Команда использовала метод микроскопии на основе вынужденного комбинационного рассеяния (stimulated Raman scattering, SRS) для нацеливания на уникальные колебательные движения связей C–D в новых белках. Быстро сканируя сфокусированный лазерный луч по образцу, SRS-микроскопия способна создавать карты концентрации связей C–D внутри живых клеток с привязкой к местоположению.

«Включение меченых дейтерием аминокислот в новые белки минимально разрушительно, и их биохимические свойства почти идентичны природным аналогам», — говорит Лу Вэй, ведущий автор статьи. — «Наша методика высокочувствительна, специфична и совместима с живыми системами в физиологических условиях, не требуя умерщвления клеток или окрашивания».

До этого открытия возможность наблюдать синтез белка в живых клетках ускользала от учёных. Классические методы (радиоизотопное мечение, флуоресцентная микроскопия на основе GFP, BONCAT) имели ограничения: требовали умерщвления клеток, последующего окрашивания или позволяли наблюдать только отдельные белки, а не весь протеом. Новая методика открывает возможности для количественной визуализации синтеза протеома в живых клетках, тканях и организмах с высоким разрешением.

Следующим шагом для команды Мина станет изучение того, где и когда новый белок производится в тканях мозга животного, подвергаемого различным лабораторным упражнениям для формирования долговременной памяти. «Наша новая методика значительно облегчит понимание молекулярных механизмов многих сложных процессов, таких как обучение и болезни», — говорит он.