Белковый переключатель деления клеток: нестабильный белок Cln3 запускает деление

Нестабильный белок Cln3 действует как главный переключатель, активирующий деление клеток у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Концентрация Cln3 достигает уровня, достаточного для запуска деления, только когда скорость синтеза белка опережает скорость увеличения объема клетки. Ученые из Университета Гронингена и их коллеги из Швейцарии опубликовали это открытие в журнале Nature Cell Biology 4 ноября.

Хотя клетки не мыслят, они должны «решать», делиться или входить в состояние покоя, в зависимости от условий среды. Три десятилетия назад было обнаружено, что комплекс циклин-зависимой киназы (CDK) — главный регулятор клеточного цикла. Однако точный механизм, с помощью которого клетки принимают решение начать новый цикл деления, оставался неясным.

Осцилляции и новый ключ

Три года назад системный биолог Маттиас Хайнеманн показал, что колебания клеточного метаболизма могут служить «дирижером» клеточного цикла у дрожжей. Теперь его группа обнаружила новый элемент головоломки — белок Cln3. Было известно, что Cln3 образует комплекс с CDK и запускает процессы, побуждающие клетки начать новый цикл деления. «Однако, поскольку считалось, что концентрация Cln3 остается постоянной в течение клеточного цикла, было неясно, как он влияет на решение клетки делиться», — объясняет Хайнеманн. Кроме того, Cln3 очень нестабилен, и его концентрацию трудно измерить, так как после синтеза он почти сразу разрушается.

Инновационный метод измерения

Чтобы исследовать роль Cln3, команда, включая Андреаса Милиаса-Аргейтиса, применила альтернативный метод измерения скорости его производства. Обычно к гену Cln3 добавляют ген зеленого флуоресцентного белка (GFP), и флуоресценция появляется при синтезе Cln3-GFP. «Но в этом случае GFP быстро разрушается вместе с Cln3, и флуоресценцию не обнаружить», — поясняет Милиас-Аргейтис. Проблему решили, добавив между Cln3 и GFP небольшую пептидную последовательность. «Этот дополнительный пептид самопроизвольно расщепляется и освобождает GFP от Cln3, как только новый химерный белок синтезирован. Таким образом, Cln3 разрушается, а GFP остается в клетке и может быть детектирован». Это позволило измерить скорость производства Cln3.

Пик концентрации и разобщение процессов

Первый автор исследования Афанасиос Лициос провел кропотливые измерения флуоресценции GFP в отдельных клетках, выращенных в микрофлюидном чипе, одновременно измеряя их объемы. Измерения показали, что концентрация Cln3 достигает пика перед тем, как клетка решает начать цикл деления. Ранее измерения концентрации Cln3 проводились только методами, усредняющими данные по большим популяциям клеток. «В этом случае пик концентрации Cln3 усредняется по популяции», — объясняет Хайнеманн.

Примечательно, что этот пик уровня белка происходит в фазе, когда темп производства белка превышает увеличение объема клетки. «Это означает, что происходит разобщение между синтезом белка и метаболическими процессами, которые вызывают увеличение объема клетки», — поясняет Милиас-Аргейтис. Это разобщение может объяснить некоторые метаболические колебания, которые Хайнеманн наблюдал ранее и которые также играют роль в инициации клеточного цикла.

Интригующее направление

Результаты исследования показывают, что решение войти в клеточный цикл запускается пиком концентрации Cln3, который, в свою очередь, обусловлен увеличением скорости синтеза белка. Возможно, этот механизм позволяет клетке «оценить», благоприятны ли условия среды для производства белка — процесса, важного для деления. «Наблюдение увеличения производства белка непосредственно перед тем, как клетки решают начать новый цикл деления, очень интригует. Нам предстоит изучить процессы, лежащие в основе этого увеличения, и, конечно, молекулярные механизмы, которые в этом участвуют», — отмечает Хайнеманн.