Клеточный стресс в кино: биохимики пролили свет на ключевой механизм выживания клеток

Подобно нашей реакции "бей или беги", у клеток тоже есть режим автопилота при стрессе. Падение уровня кислорода, перегрев или вторжение токсина могут запустить клеточный стрессовый ответ — каскад молекулярных изменений, являющийся последней попыткой клетки выжить.

Одной из таких стратегий выживания является образование "стрессовых гранул" — скоплений белков и молекул РНК в бесструктурные капли при угрозе клетке. РНК — это важная биологическая молекула, которая транслирует генетическую информацию с ДНК для производства белков. Во время клеточного стресса большинство молекул РНК прекращают свою обычную работу по трансляции и собираются внутри стрессовых гранул, словно прячась.

В новом эксперименте, опубликованном в Nature Cell Biology, специалисты по биологической визуализации под руководством Тима Стасевича, доцента кафедры биохимии и молекулярной биологии Университета штата Колорадо, использовали специальный флуоресцентный микроскоп и новый инструмент мечения антителами, чтобы наблюдать за живыми клетками в условиях стресса. С точностью до одной молекулы исследователи зафиксировали взаимодействие отдельных молекул РНК со стрессовыми гранулами, раскрыв, как, когда и куда движутся РНК — процесс, который ранее никогда не наблюдали от начала до конца. Они, среди прочего, однозначно показали, что трансляция РНК полностью подавляется перед тем, как РНК попадают в стрессовые гранулы.

Результаты стали плодом сотрудничества с лабораторией Роя Паркера, профессора кафедры биохимии Университета Колорадо в Боулдере. Совместный опыт двух лабораторий осветил беспрецедентные детали клеточного стрессового ответа, прокладывая путь для будущих исследований полной динамики остановки трансляции и её связи со многими заболеваниями.

"Я думаю, увидеть — значит поверить, и это наш вклад здесь", — сказал Стасевич, исследователь Boettcher, чья лаборатория ранее опубликовала технику биохимического мечения и визуализации в журнале Science. — "Мы используем живые клетки как пробирки для изучения динамических процессов, которые никогда раньше не наблюдались. Возможность визуализировать эти процессы на уровне одной молекулы в живых клетках будет мощным инструментом для лучшего понимания клеточного стрессового ответа в нормальных и больных клетках".

Лаборатория Паркера в CU Boulder давно интересовалась взаимодействиями РНК, связанными с клеточным стрессом. "Мы увидели статью Тима в Science об отслеживании насинтезированных цепей и подумали, что это будет идеальная техника, чтобы ответить на вопросы, которые наша лаборатория давно пыталась выяснить", — объяснила Стефани Мун, соавтор статьи в Nature Cell Biology и бывшая аспирантка CSU.

Динамика образования стрессовых гранул ранее лишь предполагалась в исследованиях, сказал Паркер. "Но если клетки не создают их, они умирают. Значит, они должны быть важны".

Ранее ученые, такие как Паркер и Мун, могли "видеть" РНК во время клеточного стресса только с помощью фиксированной визуализации клеток — эквивалента моментального снимка. "Мы знали, что РНК находятся в стрессовых гранулах, и знали, какие именно РНК там. Мы знали, что на них могут влиять мутации, вызывающие болезни. Все эти знания были основаны на статических изображениях", — сказал Паркер.

Согласно более ранним исследованиям Паркера, несколько мутаций могут вызывать неправильное образование таких РНК-белковых комплексов, и эти аномалии связаны с нейродегенеративными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз.

Благодаря "киносъемке" с командой Стасевича, клеточный стрессовый ответ ожил в цветных деталях, пролив свет на ранее скрытые подробности. Среди основных выводов статьи — то, что, хотя некоторые РНК приходят и уходят с поверхности гранул, некоторые странным образом застревают, словно привязанные в патоке.

"Показав, что РНК попадают в гранулу, трансляционно репрессируются и остаются там, мы предполагаем, что стрессовые гранулы могут играть роль в удержании этих РНК вне процесса экспрессии генов", — сказала Мун.

Тацуя Морисаки, соавтор и старший исследователь в лаборатории Стасевича, руководил экспериментами по визуализации с Мун и разработал технику отслеживания трансляции. Морисаки использовал клеточную линию, разработанную лабораторией Паркера, которая содержит зеленый флуоресцентный маркер для стрессовых гранул. Технология флуоресцентного мечения лаборатории Стасевича модифицировала эту линию маркерами, которые светятся в дальнем красном спектре для РНК и в красном — для трансляции, что позволило видеть все три цвета одновременно.

Стасевич назвал сотрудничество прекрасным сочетанием двух лабораторий, движущихся к общей цели. "Я думаю, мы действительно можем работать вместе, чтобы ответить на некоторые вопросы, на которые раньше никогда не было ответа", — сказал Стасевич.

Паркер согласился.

"Лаборатория Тима прекрасно разбирается в одно-молекулярной визуализации, включая трансляцию и локализацию РНК, в то время как моя группа заинтересована в понимании того, как образуются эти РНК-белковые гранулы", — добавил он. — "Так и должна работать наука".