Форма клетки определяет распределение белков

Точный контроль распределения специфических белков критически важен для многих биологических процессов. Команда LMU описала новую модель формирования внутриклеточных паттернов, в которой ключевую роль играет сама форма клетки.

Исследователи во главе с биофизиком LMU профессором Эрвином Фреем использовали компьютерное моделирование, чтобы выяснить, как белковые паттерны создаются и поддерживаются в цитоплазме бактериальных клеток. Их результаты, опубликованные в PNAS, указывают на ранее неизвестный механизм, при котором стабильный белковый паттерн возникает под прямым влиянием пространственной геометрии клетки.

Модель на основе E. coli

Учёные моделировали внутриклеточное формирование паттерна у бактерии E. coli. При делении E. coli плоскость деления всегда находится точно посередине длинной оси палочковидной клетки. Белки MinC, MinD и MinE определяют местоположение этой плоскости. Они постоянно перемещаются от одного конца клетки к другому, что создаёт биполярное распределение с высокой концентрацией MinD и MinE на полюсах и низкой — в центре. Это ингибирует образование плоскости деления на полюсах, но не в середине растущей клетки.

Ключевая роль геометрии клетки

Новая модель была вдохновлена наблюдением, что биполярный паттерн всё ещё формируется у мутантов E. coli, где MinD и MinE заменены гомологичным белком AtMinD из хлоропластов резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). AtMinD также существует в двух нуклеотид-связанных формах, которые могут связываться с мембраной и осциллировать между мембраносвязанным и растворимым состояниями.

В минималистичной модели учёных процесс формирования паттерна регулируется законом действующих масс и разницей в сродстве двух форм AtMinD к клеточной мембране. Однако решающую роль играет геометрия клетки.

Вероятность того, что белок, диффундирующий в цитоплазме, столкнётся с клеточной мембраной, зависит от доступной площади её поверхности. В палочковидной клетке эта вероятность максимальна на обоих концах из-за кривизны на полюсах. Именно поэтому белки предпочтительно связываются с полярной мембраной, создавая биполярный паттерн. Этот вывод подтверждается тем, что при моделировании в сферическом объёме поляризованный паттерн не возникал.

Отличие от классических моделей

«В отличие от более ранних теорий, новая модель не требует, чтобы белки были внутренне чувствительны к степени кривизны мембраны как таковой, и не нуждается в тонкой настройке скоростей реакций», — объясняет Фрей. — «В этом отношении наша модель фундаментально отличается от знаменитого механизма Тьюринга для формирования паттернов и может изменить то, как мы сейчас рассматриваем весь вопрос формирования паттернов в биологических системах».

В дальнейшем команда планирует искать другие подобные простые системы. Реконструкция и комбинирование различных минимальных паттерн-формирующих модулей может помочь имитировать важные клеточные функции и в долгосрочной перспективе внести вклад в разработку искусственной клетки для лучшего понимания сложных биологических процессов.