Белки долгожители и другие чудеса
Белки долгожители взято с Молбиол
Живые клетки чрезвычайно быстро изменяют свой состав. За их внешней малоподвижностью и постоянством структуры скрывается такая колоссальная интенсивность обмена веществ, что большинство из 10 миллиардов белков 10,000 видов, формирующих клетку млекопитающих, более чем наполовину распадается и замещается новыми за один-два дня.
В середине прошлого века была открыта редкая группа белков, время жизни которых соизмеримо с временем жизни наших тел - порядка нескольких лет-десятков лет (кристаллины, коллаген, когезин, некоторые компоненты ядерной поры). Необычайная устойчивость этих молекул привлекла большое внимание. В отличие от молекул ДНК - других стабильных компонентов клетки, - система репарации белков неразвита и их долгое время жизни означает большой риск накопления повреждений и старения. Возникло много вопросов: много ли подобных белков существует и в чем смысл их высокой стабильности? И как эти белки избегают деградации, столь обычной для подавляющего большинства других белков? И можно ли, поняв принципы их стабильности, изменять время жизни других белков?
Эти вопросы во многом нашли решение в работе Брэндона Тойамы и его коллег (Toyama B., et. al. Cell, 2013). Три группы из институтов Ла Джоллы и Балтимора, США, опубликовали совместные результаты массового скрининга, описав 35 новых долгоживующих белков, со временем полужизни от нескольких месяцев до нескольких лет. Идея эксперимента предельна проста: с первых дней жизни экспериментальных крыс кормили пищей со стабильным и редким изотопом азота, 15N, после чего переводили на диету с изотопом 14N, и в течение года измеряли соотношение двух изотопов азота в белках. Сложность эксперимента заключалась в том, что был проанализирован весь протеом.
Результаты могут объяснить причины сверхвысокой устойчивости белков к деградации: почти все стабильные белки оказались компонентами многосубъединичных комплексов, ограничивающих доступность своих субъединиц внутриклеточной среде. Согласно работе, особой стабильностью отличаются две универсальные структуры эукариотической клетки: ДНК-гистоновые комплексы и ядерные поры, на долю которых приходится половина всех стабильных белков клетки (16 из 35).
Развивая исследование авторы показали, что стабильность компонентов поры и гистоновых комплексов неоднородна: в комплексе гистонов, к примеру, наиболее стабильный гистон (H3.1) имеет время полужизни более пяти лет, наименее стабильный (H2A) - не больше двух месяцев. Более того, оказалось, что клетка постоянно производит стабильные белки в соизмеримом количестве с другими белками клетки, но, вместо замещения старых компонентов, например, ядерной поры, новосинтезированные белки деградируют. Другими словами, стабильностью обладают не белки сами по себе, но белки раз и надолго встроившиеся в конечный комплекс поры или другого комплекса. Стабильность белков, по-видимому, отражает неспособность клетки замещать старые компоненты комплексов новыми.
Эти данные навели ученых на возможную роль стабильных гистонов и компонентов поры в старении. И оказалось, что роль эта может быть ключевой: анализ состава ядерных пор клеток крысы показал, что вплоть до 85% ядерных пор теряют несколько белков в процессе старения. Все из них оказались стабильными компонентами одного из подкомплексов поры, Nup205.
Что же такое повышенная стабильность белков? Не отражает ли она некогда утраченную функцию клетки замещать некоторые из своих компонентов? Ответ на этот вопрос требует исследований. Пока же становится ясным, что стабильные белки клетки могут стать одной из главных мишеней будущей терапии старения.
"Пинг-понг" клеточных ядер контролирует развитие мозга
Знаете ли вы, что в будущих нервных клетках, их ядра циркулируют между полюсами клетки подобно мячу в игре пинг-понг. Первый игрок - базальная мембрана, - своим "ударом" запускает репликацию и отправляет ядро на другой край. Его оппонент - апикальный полюс, - своим "ударом" запускает митоз и возвращает ядро обратно. Последние исследования раскрывают механизм этих необычных перемещений, давая возможность разгадать их смысл и контролировать процессы нейрогенеза.
Растущий мозг млекопитающих содержит группу клеток - предшественников радиальной глии, - дающую начало нейронам, глии и стволовым клеткам ряда отделов мозга. Эти клетки имеют продолговатую форму и крайне необычную особенность - их деление сопровождается замысловатой миграцией клеточного ядра: в G1 ядро мигрирует к базальной мембране, после чего клетка вступает в S-фазу; далее, в G2, ядро перемещается обратно, и клетка вступает в митоз, рождая новые клетки нервных тканей.
В этом путешествии ядро проделывает путь в несколько собственных диаметров, перенося генетический материал от полюса к полюсу клетки, и долгое время оставалось неясным почему репликация и сегрегация генов должны проходить на противоположных полюсах. Работа группы Ричарда Вэлли, публикуемая в последнем выпуске Cell, отвечает на вопрос "как" путешествует ядро, давая возможность узнать "зачем".
Для этого ученые Колумбийского университета в Нью-Йорке объединили усилия с группами университетов Сорбонны и Утрехта (в том числе - с группой Анны Ахмановой, выпускницы биофака МГУ, ныне заведующей лабораторией в университете Утрехта). Обнаружив миРНК, влияющие на транспорт ядра, они ухватились за механизм перемещения ядра в G2-фазе. Оказалось, что движение происходит благодаря прикреплению моторного белка динеина к компонентам ядерной поры. Конечно, что может лучше указывать моторной системе на ядро, как не эти гигантские трансмембранные структуры, тысячами присутствующие в ядерных мембранах?
Согласно работе, транспорт проходит в два этапа. На первом, взаимодействие ядра и динеина опосредует белок BicD2, и ядро проделывает основную часть пути. На втором, BicD2 сменяется белком CENP-F, прикрепляющим динеин к белкам поры Nup133, и ядро делает еще один небольшой шаг, достигая базальной мембраны, после чего клетка вступает в митоз.
Долгое время считалось, что транспорт ядра и деление - процессы скорее синхронные, чем взаимозависимые. Авторы работы показали что это не так: контролируя прикрепление ядра к динеину, им удалось получить контроль над делением клеток. Нарушая транспорт с помощью миРНК к Nup133 и CENP-F, они блокировали ядро в микрометре от конечной позиции у базальной мембраны, а с ним остановили и клеточное деление. Напротив, искусственно привлекая динеин к ядерной поре с помощью белка-химеры, им удалось запустить транспорт ядра и вступление клетки в митоз. Удивительно, что контролировать деление важной популяции клеток мозга оказалось возможным помещая ядро в то или иное место будущей нервной клетки!
Живые клетки чрезвычайно быстро изменяют свой состав. За их внешней малоподвижностью и постоянством структуры скрывается такая колоссальная интенсивность обмена веществ, что большинство из 10 миллиардов белков 10,000 видов, формирующих клетку млекопитающих, более чем наполовину распадается и замещается новыми за один-два дня.
В середине прошлого века была открыта редкая группа белков, время жизни которых соизмеримо с временем жизни наших тел - порядка нескольких лет-десятков лет (кристаллины, коллаген, когезин, некоторые компоненты ядерной поры). Необычайная устойчивость этих молекул привлекла большое внимание. В отличие от молекул ДНК - других стабильных компонентов клетки, - система репарации белков неразвита и их долгое время жизни означает большой риск накопления повреждений и старения. Возникло много вопросов: много ли подобных белков существует и в чем смысл их высокой стабильности? И как эти белки избегают деградации, столь обычной для подавляющего большинства других белков? И можно ли, поняв принципы их стабильности, изменять время жизни других белков?
Эти вопросы во многом нашли решение в работе Брэндона Тойамы и его коллег (Toyama B., et. al. Cell, 2013). Три группы из институтов Ла Джоллы и Балтимора, США, опубликовали совместные результаты массового скрининга, описав 35 новых долгоживующих белков, со временем полужизни от нескольких месяцев до нескольких лет. Идея эксперимента предельна проста: с первых дней жизни экспериментальных крыс кормили пищей со стабильным и редким изотопом азота, 15N, после чего переводили на диету с изотопом 14N, и в течение года измеряли соотношение двух изотопов азота в белках. Сложность эксперимента заключалась в том, что был проанализирован весь протеом.
Результаты могут объяснить причины сверхвысокой устойчивости белков к деградации: почти все стабильные белки оказались компонентами многосубъединичных комплексов, ограничивающих доступность своих субъединиц внутриклеточной среде. Согласно работе, особой стабильностью отличаются две универсальные структуры эукариотической клетки: ДНК-гистоновые комплексы и ядерные поры, на долю которых приходится половина всех стабильных белков клетки (16 из 35).
Развивая исследование авторы показали, что стабильность компонентов поры и гистоновых комплексов неоднородна: в комплексе гистонов, к примеру, наиболее стабильный гистон (H3.1) имеет время полужизни более пяти лет, наименее стабильный (H2A) - не больше двух месяцев. Более того, оказалось, что клетка постоянно производит стабильные белки в соизмеримом количестве с другими белками клетки, но, вместо замещения старых компонентов, например, ядерной поры, новосинтезированные белки деградируют. Другими словами, стабильностью обладают не белки сами по себе, но белки раз и надолго встроившиеся в конечный комплекс поры или другого комплекса. Стабильность белков, по-видимому, отражает неспособность клетки замещать старые компоненты комплексов новыми.
Эти данные навели ученых на возможную роль стабильных гистонов и компонентов поры в старении. И оказалось, что роль эта может быть ключевой: анализ состава ядерных пор клеток крысы показал, что вплоть до 85% ядерных пор теряют несколько белков в процессе старения. Все из них оказались стабильными компонентами одного из подкомплексов поры, Nup205.
Что же такое повышенная стабильность белков? Не отражает ли она некогда утраченную функцию клетки замещать некоторые из своих компонентов? Ответ на этот вопрос требует исследований. Пока же становится ясным, что стабильные белки клетки могут стать одной из главных мишеней будущей терапии старения.
"Пинг-понг" клеточных ядер контролирует развитие мозга
Знаете ли вы, что в будущих нервных клетках, их ядра циркулируют между полюсами клетки подобно мячу в игре пинг-понг. Первый игрок - базальная мембрана, - своим "ударом" запускает репликацию и отправляет ядро на другой край. Его оппонент - апикальный полюс, - своим "ударом" запускает митоз и возвращает ядро обратно. Последние исследования раскрывают механизм этих необычных перемещений, давая возможность разгадать их смысл и контролировать процессы нейрогенеза.
Растущий мозг млекопитающих содержит группу клеток - предшественников радиальной глии, - дающую начало нейронам, глии и стволовым клеткам ряда отделов мозга. Эти клетки имеют продолговатую форму и крайне необычную особенность - их деление сопровождается замысловатой миграцией клеточного ядра: в G1 ядро мигрирует к базальной мембране, после чего клетка вступает в S-фазу; далее, в G2, ядро перемещается обратно, и клетка вступает в митоз, рождая новые клетки нервных тканей.
В этом путешествии ядро проделывает путь в несколько собственных диаметров, перенося генетический материал от полюса к полюсу клетки, и долгое время оставалось неясным почему репликация и сегрегация генов должны проходить на противоположных полюсах. Работа группы Ричарда Вэлли, публикуемая в последнем выпуске Cell, отвечает на вопрос "как" путешествует ядро, давая возможность узнать "зачем".
Для этого ученые Колумбийского университета в Нью-Йорке объединили усилия с группами университетов Сорбонны и Утрехта (в том числе - с группой Анны Ахмановой, выпускницы биофака МГУ, ныне заведующей лабораторией в университете Утрехта). Обнаружив миРНК, влияющие на транспорт ядра, они ухватились за механизм перемещения ядра в G2-фазе. Оказалось, что движение происходит благодаря прикреплению моторного белка динеина к компонентам ядерной поры. Конечно, что может лучше указывать моторной системе на ядро, как не эти гигантские трансмембранные структуры, тысячами присутствующие в ядерных мембранах?
Согласно работе, транспорт проходит в два этапа. На первом, взаимодействие ядра и динеина опосредует белок BicD2, и ядро проделывает основную часть пути. На втором, BicD2 сменяется белком CENP-F, прикрепляющим динеин к белкам поры Nup133, и ядро делает еще один небольшой шаг, достигая базальной мембраны, после чего клетка вступает в митоз.
Долгое время считалось, что транспорт ядра и деление - процессы скорее синхронные, чем взаимозависимые. Авторы работы показали что это не так: контролируя прикрепление ядра к динеину, им удалось получить контроль над делением клеток. Нарушая транспорт с помощью миРНК к Nup133 и CENP-F, они блокировали ядро в микрометре от конечной позиции у базальной мембраны, а с ним остановили и клеточное деление. Напротив, искусственно привлекая динеин к ядерной поре с помощью белка-химеры, им удалось запустить транспорт ядра и вступление клетки в митоз. Удивительно, что контролировать деление важной популяции клеток мозга оказалось возможным помещая ядро в то или иное место будущей нервной клетки!