Полученные данные проливают новый свет на биологическую природу белковых агрегатов, которые широко рассматриваются как токсичные тупиковые продукты, но все чаще признаются новым слоем клеточной организации.«Мы задали простые вопросы: какие белки накапливаются в клетке во время острого теплового шока и что с ними происходит, когда клетка восстанавливается?» сказал старший автор исследования Д. Аллан Драммонд, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Чикагского университета. «К нашему большому удивлению, мы обнаружили, что даже самые сильно агрегированные белки разбираются и возвращаются в циркуляцию во время восстановления. Это повышает вероятность того, что большинство этих агрегатов, которые раньше выглядели как повреждения, на самом деле могут быть частью скоординированного, эволюционирующего процесса. . "Несмотря на десятилетия исследований, остается много вопросов о том, как клетки реагируют на тепловой шок.
Под воздействием стрессовых, но не смертельных температур некоторые клеточные белки собираются в большие скопления, известные как стрессовые гранулы. Исследования мутантных клеточных линий показали, что определенные типы стрессовых гранул разрушаются клеткой и их белковые компоненты предположительно переделываются. Было показано, что искусственно введенные термочувствительные белки, а также вновь созданные белки склонны к агрегации и разрушаются клетками после теплового шока.
Но остается неясным, постигла ли подобная судьба подавляющее большинство белков в нормальных клетках.Чтобы изучить влияние теплового шока на нативные популяции белков, Драммонд и его коллеги использовали новый набор методов, которые позволили им одновременно отслеживать почти 1000 различных зрелых белков в дрожжевых клетках.
Команда подвергала клетки воздействию температур от 30 ° C (нормальный) до 46 ° C (сильный тепловой шок) в течение очень коротких периодов времени, от двух до восьми минут. Затем они измерили агрегацию белка с помощью инструментов, включая масс-спектрометрию.Исследователи идентифицировали более 175 различных белков, которые агрегировали в ответ на тепловой шок, что составляет примерно шестую часть измеренных белков и примерно в десять раз больше, чем было известно ранее.
Определенные белки образовывали гранулы в определенных и отдельных клеточных участках, что указывает на уровень организации. Тем не менее, команда также обнаружила, что агрегация происходила во многих условиях, когда стрессовые гранулы не образовывались, что указывает на то, что агрегация и формирование гранул являются связанными, но отдельными процессами.Самым большим сюрпризом стало то, что команда изучила судьбу агрегированных белков. Белки были помечены изотопами — методика, аналогичная углеродному датированию археологических находок — и отслеживались по мере того, как клетки подвергались тепловому шоку и восстановлению.
Они обнаружили, что агрегированные белки распутались и возобновили свои первоначальные функции без исключения после того, как клетки вернулись к нормальной температуре. Мечение изотопов исключало возможность того, что агрегированные белки разлагались и заменялись новыми белками, которые не были бы маркированы.Затем команда провела подробный анализ трех представляющих интерес белков, которые в нормальных условиях образуют комплекс, который связывает аминокислоты с РНК-переносчиками (тРНК). При выделении и тестировании на их реакцию на тепло эти белки легко агрегируются.
Но даже в агрегированном состоянии после тяжелого теплового шока они образовали функциональный комплекс, который по-прежнему активно и точно обрабатывал тРНК.«В отличие от того, что наблюдалось во многих исследованиях чужеродных белков и мутантных клеток, разборка нативных агрегатов после теплового шока в нормальных клетках в этих условиях практически завершена», — сказал Драммонд. «Агрегация, вероятно, инактивирует подавляющее большинство белков, но примечательно, что некоторые из них могут оставаться активными при агрегации.
Все это указывает на необходимость переосмысления биологического значения агрегации во время теплового шока».Основываясь на предыдущей работе и своих собственных результатах, Драммонд и его коллеги предполагают, что основная цель агрегации белков во время теплового шока — изменить клеточную фабрику, сосредоточив синтез белка на белках, необходимых во время стресса. В некоторых случаях, как предполагают авторы, белки действуют как автономные термометры и исполнительные механизмы, воспринимая тепло и самосборку, чтобы активировать или деактивировать определенные клеточные функции.
«Вызванная теплом агрегация имеет все признаки адаптивного ответа», — сказал автор исследования Эдвард Уоллес, доктор философии, научный сотрудник по биохимии и молекулярной биологии из Чикагского университета. «Наши результаты предполагают наличие слоя клеточного механизма, который воспринимает и реализует эти решения, формируя определенные агрегаты в определенных местах и ??в определенное время».Полученные данные также поднимают интригующие вопросы о природе белковых агрегатов, которые наблюдаются при широком спектре нейродегенеративных заболеваний. В настоящее время команда работает над тем, чтобы лучше понять биологические функции агрегатов, особенно в их роли регуляторов функции клеток.
Они также начали использовать чувствительные к температуре части белков для биотехнологических применений, например, для отделения одного типа молекулы от другого в ответ на изменение температуры.«Внимательно и современно взглянув на старую проблему, мы получили удивительные результаты, которые меняют наше представление не только о тепловом шоке, но и о том, как клетки воспринимают окружающую среду и реагируют на нее на молекулярном уровне», — сказал Драммонд. «Это то, что так приятно в изучении биологии основных процессов».