Новые результаты, опубликованные в журнале Molecular Cell, предоставляют подробную информацию о скрытой организации цитоплазмы — супа из жидкости, органелл, белков и других молекул внутри клетки. Исследования показывают, что имеет большое значение, где в клеточном бульоне информационная РНК (мРНК) транслируется в белки.
«Вы знаете старую поговорку о недвижимости: «Местоположение, местоположение, местоположение». Оказывается, это применимо и к тому, как белки образуются внутри клеток», — говорит доктор Майр, молекулярный и клеточный биолог из Института Слоана Кеттеринга, центра фундаментальных и трансляционных исследований в MSK. «Если это перевести здесь, вы получите вдвое больше белка , чем если бы оно было переведено там».
По ее словам, это первое в своем роде исследование подчеркивает, насколько цитоплазма «прекрасно организована», а не представляет собой просто большую мешанину.
Исследователи отмечают, что полученные результаты не только проливают новый свет на фундаментальную клеточную биологию, но и обещают увеличить или изменить производство белков в мРНК-вакцинах и методах лечения.
Исследование возглавила бывшая сотрудница лаборатории Эллен Хорсте, доктор философии, которую Майр привлекла к этому сложному, но захватывающему проекту, когда она присоединилась к лаборатории несколько лет назад. Доктор Хорсте получила докторскую степень в аспирантуре Герстнера Слоана Кеттеринга в июне и сейчас работает в компании по генной терапии.
«Когда мы начинали, нам было трудно получить финансирование для этого проекта», — говорит доктор Майр. «Все думали, что изолировать отдельные компоненты будет совершенно невозможно. На самом деле это был проект Эллен с ее первого дня в лаборатории до ее последнего дня. Это было довольно сложно, и я очень гордился ею».
Адаптировав подход, обычно используемый иммунологами, команда смогла обозначить цветом отдельные частицы внутри клеток с помощью антител, а затем отсортировать их по цвету. Они использовали секвенирование РНК, чтобы определить, какие РНК с какими частицами связаны.
«И было действительно поразительно видеть, что в каждом из этих внутриклеточных участков транслируются очень разные типы мРНК», — говорит доктор Майр.
Добро пожаловать в сотовый район
Большинство хорошо известных компонентов внутри клетки имеют определенную форму и окружены внешней мембраной: ядро, митохондрии, лизосомы, аппарат Гольджи.
Два ключевых компонента, лежащих в основе исследования команды Майра, не имеют мембран — именно поэтому их так трудно найти, а также сложно изолировать и изучить в лаборатории.
Краткий обзор биологии: клетки строят белки, используя инструкции, закодированные в ДНК. Эти последовательности ДНК транскрибируются в мРНК внутри ядра клетки. Эти информационные РНК затем перемещаются в цитоплазму, где транслируются в полезный белок.
Новое исследование продемонстрировало, что в цитоплазме происходит этот этап трансляции не случайно и что существует основная логика или «код», который направляет мРНК в определенные районы внутри клетки.
«Вся цитоплазма хорошо разделена на отсеки», — говорит доктор Майр. «Нам удалось продемонстрировать, что существует код, основанный на биофизических особенностях мРНК — их размере и форме — и конкретных РНК-связывающих белках, с которыми они взаимодействуют. Этот код направляет мРНК в разные места для трансляции».
Исследование трансляции в трех местах внутри клетки
Благодаря серии кропотливых экспериментов исследовательская группа смогла показать, что мРНК разной длины и формы имеют тенденцию тяготеть к определенным районам. И если вы вмешаетесь и перенаправите их в другое место, это может оказать глубокое влияние на количество вырабатываемого белка и на его функцию.
Исследователи изучили мРНК, расположенные на поверхности эндоплазматического ретикулума (органеллы, участвующей в синтезе белка и других клеточных функциях). Хорошо известно, что там транслируются белки, связанные с клеточными мембранами, а также те, которые секретируются клеткой для использования в других местах.
Исследование показало, что почти 15% мРНК, кодирующих немембранные белки, также транслируются в ЭР, и они кодируют крупные и высокоэкспрессируемые белки.
Между тем, мРНК, которые транслируются в цитозоле (жидкой части цитоплазмы), как правило, представляют собой очень маленькие белки.
А мРНК, локализующиеся в гранулах TIS, обычно являются факторами транскрипции (белками, которые регулируют транскрипцию генов). Гранулы TIS представляют собой безмембранный клеточный компонент, открытый лабораторией Майра в 2018 году . Они образуют сеть взаимосвязанных белков и мРНК и тесно связаны с эндоплазматической сетью, образуя отдельное пространство, где мРНК и белки могут собираться и взаимодействовать.
Изображение клетки, полученное флуоресцентной микроскопией, где гранулы TIS показаны красным, а эндоплазматическая сеть показана зеленым. Центральная черная область — это ядро клетки.
Взлом кода
Взлом кода того, как мРНК локализуется в разных местах, позволил сделать некоторые неожиданные открытия.
После открытия сети гранул TIS пять лет назад лаборатория сосредоточила свое внимание на понимании того, какие из многих тысяч мРНК в клетке локализуются там и имеют ли они общие характеристики.
Команда сосредоточилась на одной части мРНК, которой обычно не уделяется много внимания — хвосте. Она отделена от средней части мРНК, которая содержит инструкции по построению белка. Ученые называют хвост «трехосновной нетранслируемой областью» (3’UTR), и он оказывается критически важным для процесса локализации.
«Хвост обычно содержит более длинную последовательность, чем часть РНК, которая фактически используется для создания белка», — говорит доктор Майр. «Но долгое время люди не обращали особого внимания на хвостовые части, поскольку белок можно производить и без них». (Они также важны и в других отношениях, как отметил доктор Майр в обзорной статье 2019 года .)
Оказывается, хвост необходим для взаимодействия с РНК-связывающими белками, чтобы вместе мРНК попадала в правильную область трансляции внутри клетки. (РНК-связывающие белки — это тип белка, который прикрепляется к молекулам РНК и может модулировать различные аспекты их активности.)
Поначалу команда думала, что именно эти РНК-связывающие белки направляют действие — направляя мРНК к первому, второму и т. д. району, говорит доктор Майр.
«Но по-настоящему удивительным открытием стало то, что РНК-связывающие белки на самом деле играют в этом процессе второстепенную, а не основную роль», — говорит она.
Исследователи обнаружили, что сортировка мРНК по местоположению по умолчанию основана на общем размере и форме мРНК. Но партнерство со связывающим белком может обойти это значение по умолчанию и перенаправить их.
«Наши данные показывают, что если транслировать мРНК в гранулах TIS, полученный белок будет выполнять одну функцию, а если транслировать ее за пределы гранул TIS, он будет выполнять другую функцию», — говорит она. «И именно поэтому в высших организмах, таких как мы, один белок может выполнять более одной функции».
К будущим приложениям
Одним из конкретных белков, которые команда исследовала в ходе исследования, является MYC. Ген MYC является одним из наиболее известных онкогенов, а мутации MYC лежат в основе развития многих видов рака.
«Мы заметили, что несколько белковых комплексов MYC образовывались только тогда, когда мРНК MYC транслировалась в гранулах, а не когда она транслировалась в цитозоле», — говорит доктор Майр. «Наши результаты показывают, что эти районы имеют важное биологическое значение, даже если только около 20% мРНК транслируются в гранулах TIS».
В совокупности эти открытия позволяют предположить, что мРНК можно нацеливать на выполнение различных функций, а также на изменение количества вырабатываемого белка, добавляет она.
«Итак, мы надеемся, что в будущем мы сможем создавать более умные лекарства, создавая больше или меньше определенного фактора, а также манипулируя его функцией», — говорит доктор Майр. «Вероятно, этого не произойдет в ближайшие пять лет, но мы прокладываем путь к этому».
