Но как клетки воспринимают эти запаховые сигналы, которые становятся все слабее и слабее с увеличением расстояния от источника? Как клетки «читают» это ослабление сигнала — технически называемое градиентом сигнала — чтобы направлять их рост или движение к источнику сигнала?
Как воспринимаются пространственные сигналы — это фундаментальный вопрос, стоящий перед биологией, и до сих пор эта загадка оставалась в значительной степени нерешенной.Датчик, процессор и двигатель — все в одномТеперь возможное решение было предложено исследователями во главе с профессором ETH Матиасом Петером из Института биохимии.
У дрожжевых клеток есть очень тонкий настраиваемый многофункциональный инструмент, который распознает химические сигналы, обрабатывает их соответствующим образом и инициирует правильный ответ — рост по направлению к источнику сигнала. Таким образом, дрожжевые клетки могут чувствовать запах потенциальных сексуальных партнеров в их окружении, чтобы они могли приближаться к ним.Биологи провели свое исследование, используя комбинацию микроскопических наблюдений и компьютерной модели, которую они разработали в результате междисциплинарного сотрудничества с исследователями из Лаборатории автоматического управления под руководством Хайнца Кёппла (ныне в Техническом университете Дармштадта).Многие белки образуют мультиинструмент
Если клетка подозревает, что градиент сигнала находится поблизости, она собирает мультитул в случайном месте на мембране. Это средство представляет собой большой белковый комплекс, состоящий из более чем 100 различных компонентов; комплекс настолько велик, что его можно увидеть в флуоресцентный микроскоп.
Исследователи называют это «сайтом полярности» (PS), потому что поляризованный рост начинается в том месте, где он формируется.Используя флуоресцентную микроскопию, исследователи теперь наблюдали, как PS обнаруживает источник сигнала градиента. Сначала PS движется по мембране в сторону более сильного сигнала. Как только он определил самый сильный сигнал, то есть наибольшее количество сигнального вещества в градиенте, он прекращает движение.
Затем PS создает выпуклость в ячейке в этом месте, которая продолжает расти по направлению к источнику сигнала. Естественно, сигнал исходит от сексуального партнера, и две клетки сливаются, как только они нашли друг друга.Сложная конструкция, уменьшенная с помощью модели
Чтобы понять молекулярную механику этого процесса, исследователи обратились к компьютерной модели. «Эта модель действительно помогла нам снизить сложность PS и процесса до нескольких важных компонентов», — говорит Бьорн Хегеманн, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Developmental Cell. Эти важные компоненты оборудования включают рецептор, который улавливает и передает сигнал; другие включают белок Cdc42, который переносит рецептор вдоль мембраны, и белок Cdc24, который регулирует активность Cdc42. «Вы можете описать рецептор как нос, Cdc42 как колесо механизма и Cdc24 как его тормоз», — говорит Хегеманн.Пока PS движется через клеточную мембрану и ищет более сильный химический сигнал, в механизме присутствует только несколько молекул разрушающего белка Cdc24. Как только он обнаруживает максимальную концентрацию сигнала, PS запрашивает дополнительные молекулы Cdc24, которые хранятся в ядре, для связывания с комплексом.
Чем больше молекул Cdc24 прикрепляется к машине PS, тем медленнее она становится. Однако только когда число Cdc24 превышает определенный порог, PS полностью останавливается и начинает образование выпуклости в ячейке.
Важный фундамент«Сначала мы наблюдали движение участка полярности с помощью флуоресцентного микроскопа. Затем мы смоделировали это движение на компьютере, что позволило нам разработать гипотезу о том, как можно контролировать движение.
Затем мы смогли подтвердить эту гипотезу экспериментально с помощью мутаций и с помощью флуоресцентного микроскопа », — говорит Хегеманн, довольный новыми открытиями. Он говорит, что относительно простая компьютерная модель обеспечила отличную основу для планирования экспериментов, позволив исследователям быстро менять компоненты и тем самым определять важные аспекты. По его словам, это упростило исследование, поскольку не было необходимости проверять все экспериментально.
Хегеманн предполагает, что не только дрожжевые клетки используют мультиинструмент, напоминающий сайт полярности. Поведение, сходное с поведением PS, также наблюдалось у делящихся дрожжей (S. pombe) и круглых червей (C. elegans), хотя и без молекулярного объяснения.
Исследователи ETH представили это объяснение и впервые подробно описали, как клетки могут определять местонахождение градиента запаха. Эта работа закладывает важный фундамент для дальнейших исследований восприятия пространственных сигналов клетками — как у дрожжей, так и у людей.
По словам Хегеманна, в настоящее время не предусматривается никаких прямых медицинских применений: «В далеком будущем эта работа может принести пользу широкой публике. Однако на данный момент она в первую очередь представляет собой важный шаг вперед для фундаментальных исследований».