ERK демонстрирует ритм: белок, контролирующий рост клеток, циклически перемещается в ядро и из него

Исследование отдельных клеток ткани молочной железы с использованием видеосъемки с интервальной съемкой выявило ранее неизвестное событие: белок ERK циклически перемещается между ядром клетки и цитоплазмой. Это дает более полное представление о внутренних сигналах, заставляющих клетки расти, — процессах, нарушающихся при раке и являющихся мишенями для лекарств.

Белок ERK, помогающий клеткам реагировать на факторы роста, перемещается между ядром (где включаются и выключаются гены) и цитоплазмой. В видео отдельные клетки пульсируют зеленым светом, поскольку меченный флуоресцентным белком ERK заполняет ядро, выходит из него и снова входит с циклом около 15 минут. Исследователи не знают, влияют ли эти колебания на активность других белков, но отмечают их регулярность и устойчивость. Результаты опубликованы 1 декабря в Molecular Systems Biology.

«Истинные колебания в биологии редки, и то, что колебания такого важного регулятора роста так долго оставались незамеченными, крайне удивительно», — сказал ведущий автор Стив Уайли.

Модель, основанная на реальности

Одна из возможных функций колебаний — регуляция взаимодействия ERK с другими белками. Независимо от биологической функции, эти колебания представляют собой новое наблюдаемое поведение белков в клетках.

Для тестирования противораковых препаратов необходимы точные математические модели. Включение колебаний ERK в модель позволило группе Уайли лучше предсказывать, как клетки молочной железы отреагируют на изменения среды, такие как наличие факторов роста или лекарств.

«Текущие модели, используемые в разработке лекарств, ведут себя иначе, чем наша модель. Колебания "привязали" нашу модель к реальности», — сказал Уайли.

Исследование в здоровых клетках

ERK — часть длинной цепи сигналов, вовлеченной в рост клеток. Поскольку ERK многократно активируется и деактивируется различными белками, исследователи предположили, что он может колебаться.

В ткани молочной железы молекула эпидермального фактора роста (EGF) запускает строго регулируемый сигнальный путь, включающий ERK. При раке молочной железы эта цепь нарушается. Большинство исследований используют раковые клетки, но Уайли изучал здоровые клетки ткани молочной железы, чтобы понять нормальные процессы. Кроме того, работа велась на уровне отдельных клеток, а не популяции.

Наблюдение за колебаниями

Чтобы отслеживать ERK, ученые создали культивируемые здоровые клетки молочной железы, производящие зеленую флуоресцентную версию белка. Когда EGF активирует путь, зеленая версия ERK фосфорилируется, как и обычная. Другие белки деактивируют ERK, удаляя фосфатную группу, и процесс повторяется.

Клетки поместили под микроскоп, делающий снимки раз в минуту. После удаления EGF из среды и "успокоения" клеток, исследователи снова добавили EGF. Ядро клеток ярко зазеленело, указывая на приток ERK. Через несколько минут зеленый цвет исчезал из ядра, возвращаясь в цитоплазму, а затем снова появлялся. Колебания в отдельных клетках имели период около 15 минут, начинаясь синхронно, но со временем синхронность терялась.

Видео также показало, что размножение клеток не влияло на циклы. Колебания продолжались регулярно на протяжении роста клетки, ненадолго прекращались во время деления и возобновлялись после его завершения.

Дополнительные эксперименты показали, что для колебаний необходим EGF в среде, и они продолжались до 10 часов наблюдения. Доля клеток с колеблющимся ERK зависела от плотности культуры: при самой низкой плотности колебания наблюдались во всех клетках. По мере размножения и заполнения поверхностей доля таких клеток снижалась.

Проверка модели

Уайли и коллеги создали компьютерную модель, включающую колеблющийся ERK и большинство компонентов сигнального пути от рецептора EGF.

Для проверки модель использовали, чтобы предсказать поведение колебаний в условиях постоянной активации ERK. Модель предсказала затухание колебаний, если ERK остается активным. Биохимический эксперимент, в котором предотвращали деактивацию ERK, подтвердил это предсказание: доля колеблющихся клеток снизилась.

В дальнейшем группа планирует выяснить, вызывают ли другие факторы роста колебания ERK в клетках молочной железы, и наблюдается ли такое же поведение в клетках других типов.

Источник: Pacific Northwest National Laboratory