Результаты исследования Юго-Западного университета, опубликованные Cell Reports, в конечном итоге могут привести к более предсказуемой реакции на лекарственные препараты, - пишет new.eurekalert.org.
Группы клеток одного и того же типа, подвергшиеся воздействию одних и тех же стимулов, часто демонстрируют разные ответы. Некоторые из этих ответов были связаны с небольшими различиями в генетике между отдельными клетками. Однако даже генетически идентичные клетки могут различаться в поведении.
Один из примеров можно найти у зародышевых дрожжей или дрожжей, которые активно делятся. Когда эти микроорганизмы лишены глюкозы - молекул сахара, которые они используют для получения энергии, - все клетки перестают делиться. Однако, когда это питательное вещество снова становится доступным, некоторые клетки снова начинают делиться, в то время как другие больше не делятся, а остаются живыми даже в партиях дрожжей, которые являются генетическими клонами. Что движет различиями в поведении этих повторно делящихся клеток и никогда не делящихся «стареющих» клеток, оставалось загадкой, говорят руководители исследования Н. Эзги Вуд, доктор философии, научный сотрудник Юго-западного медицинского центра Университета Техасса, и Майк Хенне - доктор философских наук, доцент кафедры клеточной биологии и биофизики Юго-западного медицинского центра Университета Техасса.
Предыдущие исследования поведенческих различий в генетически идентичных клетках были сосредоточены на генах, которые определяют судьбу клетки. Однако Вуд, Хенне и их коллеги придерживались другой тактики: они изучали поведение других биомаркеров, связанных с базовым поддержанием клеток, таких как клеточный цикл, реакция на стресс, внутриклеточная коммуникация и передача сигналов питательных веществ.
Исследователи отмечают, что роль каждого из этих факторов в определении судьбы клеток еще не ясна. Узнав больше о факторах, побуждающих клетки действовать по-другому, можно в конечном итоге направить исследователей в новых направлениях. Например, эти знания могут быть полезны, помогая клеткам единообразно реагировать на химиотерапию рака или антибиотики - области, в которых клетки часто идут разными путями.
«Как две идентичные клетки бок о бок идут разными путями - это очень простой биологический вопрос - мы видим его от бактерий до клеток млекопитающих, - говорит Вуд. - Наши результаты показывают, что факторы, традиционно не связанные с клеточной судьбой, на самом деле могут играть важную роль в этом процессе, и приближают нас к ответу на вопрос, почему это явление имеет место и как мы можем его контролировать».
Чтобы изучить эти вопросы, исследователи генетически модифицировали дрожжевые клетки так, чтобы пять различных белковых маркеров, связанных с этими задачами обслуживания, светились разными цветами внутри клетки, когда они присутствовали. Затем они поставили эксперимент, в котором эти клетки жили в микрофлюидной камере, которая постоянно промывалась жидкой средой. В течение двух часов эта среда была богата питательными веществами, которые необходимы этим клеткам для выживания и размножения, включая глюкозу. Затем на следующие 10 часов исследователи отключили подачу глюкозы, из-за чего клетки стали голодать. В конце этого периода они снова ввели глюкозу, позволив клеткам восстановиться. В течение этого 16-часового цикла камера непрерывно отслеживала отдельные клетки, ища различия между теми, которые возобновили или не возобновили деление, когда глюкоза снова стала доступной.
Когда исследователи просмотрели кадры с камеры, они быстро увидели, что, несмотря на то, что клетки растут асинхронно или в разные моменты клеточного цикла, голод остановил клеточный цикл. Более пристальный взгляд показал, что белковый ингибитор клеточного цикла, известный как Whi5, имел тенденцию накапливаться в ядрах неделящихся клеток во время голодания, в то время как Whi5 в делящихся клетках полностью исчезал.
Точно так же в двух популяциях обнаружены различия в белках Msn2 и Rtg1, которые связаны со стрессовой реакцией. Хотя эти белки собирались в ядрах всех клеток, когда они голодали, они постоянно присутствовали в ядрах стареющих (делящихся) клеток даже после возвращения глюкозы, но в значительной степени выходили из ядер покоящихся (не делящихся) клеток, когда голодание закончилось.
Исследователи обнаружили еще один полезный маркер для разделения этих двух популяций в соединении ядро-вакуоль (NVJ) - интерфейсе, который соединяет ядро с вакуолью - небольшой пищеварительной органеллой, которую клетки используют для секвестрации продуктов жизнедеятельности. В то время как покоящиеся клетки имели тенденцию увеличивать свои NVJ во время голодания, стареющие клетки этого не делали.
Хотя каждое из этих открытий давало ключ к разгадке пути, по которому клетки пойдут после начала голодания, ни одно из них не показало никаких прогностических способностей до наступления голода. Но когда исследователи изучили Rim15 - белок, который играет ключевую роль в передаче сигналов питательных веществ, они обнаружили, что клетки с повышенным уровнем Rim15 до голодания имели тенденцию становиться неподвижными, в то время как клетки с более низкими концентрациями этого белка с большей вероятностью старели.
Сами по себе ни один из этих факторов не служил точным
предиктором судьбы клетки. Но когда Вуд, Хенне и их коллеги
выполнили статистический анализ, включающий всех из них, они
смогли точно предсказать, какие клетки перешли в состояние покоя,
а какие стали стареющими, с точностью почти 90 процентов до того,
как они снова ввели глюкозу. Фактически, говорят они, клетки,
кажется, достигают «точки принятия решения», когда маловероятно,
что они изменят свое направление примерно через четыре часа после
истощения.
[Фото: new.eurekalert.org]
