Как клетки адекватно реагируют на суровые условия, вызванные глобальным потеплением

Клетки выживают в условиях сильного экологического стресса (высокая температура, сухость, засоление) благодаря точным ответным реакциям через сложные механизмы. Это показало новое исследование в области клеточной биологии из Лаборатории молекулярной генетики Института медицинских наук Токийского университета. Результаты могут быть полезны для придания устойчивости к экологическому стрессу растениям и животным, а также для разработки методов лечения заболеваний человека, таких как рак и аутоиммунные болезни, вызванные сбоем в работе системы стрессового ответа. Исследование опубликовано в The EMBO Journal.

Работа проведена доцентом Кадзуо Татебаяси (Токийский университет) в сотрудничестве с учеными из Университета Тохо и Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST).

Реакция на высокую осмолярность

Исследователи сосредоточились на стрессе, вызванном высокой осмолярностью — состоянием, которое может быть спровоцировано высокой температурой и сухостью, связанными с глобальным потеплением.

Ранее считалось, что сенсоры, реагирующие на высокую осмолярность, расположены на внешней клеточной мембране. Однако группа обнаружила, что в пути передачи сигнала Hog1 MAP-киназы (MAPK) у дрожжей существует цитоплазматический сенсор высокого осмотического давления, который обеспечивает адекватный ответ.

Механизм реакции:

  • При высокой осмолярности сенсоры Sho1 и Sln1 активируют каскады Ste11-Pbs2-Hog1 и Ssk2/Ssk22-Pbs2-Hog1 соответственно.
  • Ключевое открытие: MAP3K Ste11 фосфорилирует в Pbs2 только один активирующий сайт (Thr-518), тогда как MAP3K Ssk2/Ssk22 могут фосфорилировать оба сайта (Ser-514 и Thr-518) в оптимальных условиях осмостресса.
  • Монофосфорилированный Pbs2 не может фосфорилировать Hog1, если реакция между Pbs2 и Hog1 не усилена самим осмострессом.
  • Это подавляет активацию Hog1 фоновой активностью MAP3K и предотвращает перекрестные помехи с другими сигнальными путями в отсутствие стресса.

Роль осмотического давления

При низкой осмолярности вода движется в клетку, при высокой — из клетки. Пример: увядший цветок в воде восстанавливает свежесть, так как вода движется в клетки с более высоким осмотическим давлением. В жаркой, сухой среде вода покидает клетки, что угрожает их выживанию.

При высокой осмолярности активируется сенсор опасности. Разные типы сенсоров обнаруживают различные стрессы и передают информацию внутри клетки, работая согласованно.

Кадзуо Татебаяси: "Обычно сенсор в мембране запускает каскад киназ, которые фосфорилируют друг друга, передавая и усиливая сигнал. Наше новое открытие показывает, что фосфорилирование третьей киназы напрямую усиливается осмотическим давлением. Это обеспечивает гораздо более точный и надежный ответ, чем считалось ранее".

Будущее исследований

Полная картина того, как эти механизмы контролируют клеточный ответ на стресс, еще не раскрыта. Однако это открытие задает новое направление исследований.

Вновь обнаруженный регуляторный механизм пути MAP-киназ может быть полезен в медицине, поскольку многие заболевания человека вызваны чрезмерной или недостаточной активностью этих путей. На основе этих данных можно ожидать разработки методов лечения рака и аутоиммунных заболеваний.