Динамическое управление рисками в клеточных популяциях

Популяции клеток, подобно инвесторам на фондовом рынке, готовятся к изменениям в окружающей среде, распределяя риски. Их инструментарий включает репертуар сенсорных рецепторов на поверхности отдельных клеток. Эти рецепторы можно настраивать, чтобы отдельные члены популяции реагировали на разные сигналы среды. Считалось, что клетки могут изменять это разнообразие относительно медленно, производя новые или разрушая старые рецепторные белки. Учёные из AMOLF (Амстердам, Нидерланды) и Йельского университета (Нью-Хейвен, США) сообщают об открытии механизма, который позволяет клеточным популяциям настраивать своё разнообразие гораздо быстрее — за счёт комбинации физических и химических взаимодействий между существующими белками. Результаты опубликованы в журнале Science Advances 13 ноября.

Новые экспериментальные данные показывают, что популяции клеток бактерий E. coli поддерживают высокое разнообразие своего сенсорного портфеля при отсутствии сигналов среды, но это разнообразие резко снижается (в 10 раз) при появлении новых сигналов. «В этом есть большой смысл, — объясняет Том Шимидзу, руководитель группы в AMOLF и старший автор исследования. — Когда сигналов мало, неопределённость в отношении будущего максимальна, поэтому разумно распределить ставки по многим возможным новым сигналам. Но игра меняется, как только вы чувствуете определённый стимул. Очевидно, клеточные популяции используют эту новую информацию, чтобы "сфокусировать" внимание на конкретном сигнале, чтобы вся популяция могла отреагировать вместе».

Однако удивительной была скорость переключения на эту новую стратегию. До сих пор считалось, что обновление портфеля сенсорных возможностей в биологических клетках требует изменений в экспрессии генов — длительного процесса, включающего синтез новых или деградацию старых белковых молекул. «Но эти клеточные популяции могли скорректировать распределение ставок по разным сенсорным режимам за секунды, — говорит Кейта Камино, ведущий автор исследования. — Это сразу исключило возможность обновления ставок через экспрессию генов, которая занимает от минут до часов».

Чтобы исследовать механизм, команда построила математическую модель наблюдаемого разнообразия, основанную на известных взаимодействиях рецепторов с другими молекулами, которые обрабатывают и передают сигналы в клетке. Хотя модель не включает способ изменения экспрессии генов, она очень точно предсказывает изменения сенсорного разнообразия, наблюдаемые в экспериментах. «Удивительно, но настройка разнообразия возникает из комбинации аллостерических взаимодействий и ковалентных модификаций между белковыми молекулами», — говорит Тьерри Эмонэ, профессор Йельского университета и соавтор исследования, имея в виду физическое влияние контактирующих белков на изменение их формы («аллостерические взаимодействия») и добавление или удаление химических групп у тех же рецепторов («ковалентная модификация»). «Хотя модель, описывающая эти взаимодействия, уже была создана, последствия этой аллостерии для настройки разнообразия не были оценены».

Таким образом, команда нашла простое объяснение быстрых изменений в распределении рисков клеточной популяцией. Вместо сборки и разрушения белковых молекул механизм работает через химические модификации существующих белков и их влияние на физическое взаимодействие между этими белками, что позволяет осуществить гораздо более быстрый сдвиг. Такие модификации белков широко используются для обработки и передачи сигналов внутри отдельных клеток, но ранее не было известно, что они также могут играть роль в диверсификации целых клеточных популяций. Поскольку такие модификации широко распространены в клетках всех организмов, авторы полагают, что этот базовый механизм быстрых изменений клеточного разнообразия может работать во многих типах клеток в биологии.