Микроскопические черви показали, насколько тесны клетки на самом деле

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе отследили движение флуоресцентных частиц внутри клеток микроскопических червей, получив беспрецедентные данные о клеточной "тесноте" в многоклеточном организме. Работа опубликована в Science Advances.

Оказалось, что цитоплазма в клетках червей значительно более "переполнена" и компартментализирована, чем в одноклеточных дрожжах или культивируемых клетках млекопитающих, которые обычно используются для оценки внутриклеточной динамики.

"Это меняет всё. Скученность в клетке влияет на любой процесс, зависящий от движения и взаимодействия молекул, включая доставку лекарств, развитие болезней и реакцию клеток на стресс", — сказал первый автор работы Сянъи Дин.

Исследование с помощью GEMs

Команда использовала белковые структуры — Генетически Кодируемые Мультимерные Наночастицы (GEMs). Они имеют диаметр около 40 нанометров (размер рибосомы) и покрыты флуоресцентными метками, что позволяет отслеживать их движение со скоростью до 50 кадров в секунду.

Исследователи встроили ДНК-инструкции для GEMs в геном нематоды Caenorhabditis elegans. Черви развивались нормально, но их кишечные и кожные клетки производили тысячи флуоресцентных GEMs.

Анализ видеозаписей показал, что в среднем GEMs двигались в клетках C. elegans примерно в 50 раз медленнее, чем в культивируемых клетках млекопитающих или дрожжей. Большинство частиц не только были "стеснены", но и ограничены определёнными областями клетки, что указывает на компартментализацию.

Что контролирует компартментализацию?

Учёные исследовали роль крупного белка ANC-1, который действует как каркас, поддерживающий клеточную архитектуру. Когда производство ANC-1 нарушили, клетки оставались такими же "тесными", но GEMs больше не были ограничены определёнными частями цитоплазмы.

Сама "теснота" цитоплазмы контролировалась концентрацией рибосом — структур, производящих белки. Когда нарушили производство и ANC-1, и рибосом, движение GEMs стало значительно быстрее и менее ограниченным.

"Клетки используют две взаимодополняющие системы для контроля подвижности частиц. Рибосомы действуют как упаковочная пена в коробке, а самими "коробками" могут быть белковые комплексы ANC-1", — пояснил соавтор Г.У. Гант Лакстон.

Следующий рубеж: биофизика в живых организмах

"Эта работа подчёркивает важность изучения клеток в живых организмах, а не в культуре, потому что физическая среда культивируемой клетки так сильно отличается от реального организма", — отметил соавтор Дэниел Старр.

Теперь команда планирует исследовать с помощью GEMs другие типы клеток червей (например, нейроны), чтобы понять, как цитоплазма меняется при старении и нейродегенерации. Они также намерены изучить движение частиц в более сложных организмах, начиная с рыбки данио-рерио.

"Мы пытаемся выяснить, как физические свойства клеток влияют на здоровье и болезнь, и единственный способ сделать это — изучать ткани в живых организмах на стыке генетики развития и клеточной биофизики", — сказал Лакстон.