Транспортировка внутриклеточных белков подчиняется простым правилам

Ученые из Института молекулярной физиологии Макса Планка (Max Planck Institute of Molecular Physiology) в Дортмунде открыли, как клетки обеспечивают правильное распределение белков в своей внутренней среде. Они обнаружили, что многие из белков, которые должны быть перемещены к клеточной мембране, снабжены своего рода якорем, представляющим собой молекулу жирной кислоты, предназначенным для встраивания белков в клеточные мембраны. Но так как мембрана – это то место, откуда белки получают доступ к клеточным органеллам, через некоторое время якорь из белков удаляется. Таким образом, клетка использует неспецифический подход, чтобы заделать эту брешь, за исключением тех случаев, когда транспортировка идет к мембране.

Таким образом, ученые открыли простой принцип, который клетки используют для регуляции сложной локализации белков и тем самым сохраняют высокий уровень порядка. Более того, эти открытия могут проложить путь к новым методам лечения рака: в дополнительном исследовании, используя новый ингибитор, ученые смогли успешно изменить пространственное распределение ракового белка Ras, тем самым нарушая его трансформационные сигналы.

В клетке присутствует огромное количество веществ, которые нужно транспортировать. Органелла, известная как аппарат Гольджи, служит «сортировочной станцией» для этого процесса. Белки и другие вещества подготавливаются к выполнению присущих им функций и транспортировке внутри аппарата Гольджи, окруженного своей собственной мембраной. Маленькие везикулы отделяются от этой мембраны и направляются к месту их конечного назначения. Многие белки, которые должны быть перенесены к клеточной мембране, сначала снабжаются молекулой жирной кислоты, или липида. Этот процесс, известный как пальмитация, обеспечивает мембранные белки своего рода адресным ярлычком и переносит их к клеточной мембране. Клетка использует эту направленную транспортировку от аппарата Гольджи к клеточной мембране как средство борьбы с постоянно существующей «утечкой» в другие мембраны. Это важно, так как помимо клеточной мембраны клетка наполнена мембранами органелл, связанных друг с другом посредством везикул. Следовательно, пальмитированные мембранные белки, изначально предназначенные только для клеточной мембраны, попадают и в другие места. Со временем такие белки будут случайным образом распределены по всей клетке.

Ученые использовали самые передовые методы микроскопии для наблюдения за специальными молекулярными датчиками в живых клетках и проанализировали локализацию и транспортировку пальмитированных белков в реальном времени. Они обнаружили, что пальмитирование преимущественно происходит в аппарате Гольджи. Пальмитированные белки достигают клеточной мембраны, находясь на поверхности отделившихся от аппарата Гольджи везикул. Чтобы предотвратить встраивание белков в другие мембраны, специальные ферменты удаляют липидные якоря из всех пальмитированных белков без разбора. Затем белки свободно плавают в клетке до тех пор, пока не оказываются заброшенными обратно в транспортную сеть аппарата Гольджи. Таким образом, клетка гарантирует, что дезориентированные белки быстро и постоянно снабжают транспортную сеть и переправляются к правильному месту назначению.

Таким образом, ученые открыли основополагающий принцип жизни.

Сложная задача – простое решение

Но откуда клетка знает, какие белки нужно отправить в клеточную мембрану, пока они находятся в аппарате Гольджи? Ученые считают, что любой белок может получить липидный якорь, если он имеет на поверхности аминокислоту цистеин, к которой есть удобный доступ. Такой белок будет доставлен к клеточной мембране автоматически. Поэтому такая транспортировка не требует рецепторов, которые бы специфически связывались с белком в том месте клетки, куда он должен попасть.

Это великолепный пример того, как сложный процесс может контролироваться простыми физическими или химическими правилами. На первый взгляд может показаться, что определить белки, которые должны быть перенесены в определенное место, отличить те, которые были перенесены в ненадлежащее место, и предотвратить их отклонение от конечного пункта назначения – чрезвычайно сложная задача. Но клетка справляется с этим очень простым способом, без каких-либо дополнительных рецепторов или механизмов регуляции. Другие самоорганизующиеся системы – такие как колонии насекомых – также часто работают на относительно простых принципах. Иначе они не смогут выполнять то множество задач, с которыми должны справляться.

Изображение пространственного распределения белка Ras (флуоресцентный синий), встроенного в клеточную мембрану (по краям) и аппарат Гольджи (в центре). Фотомонтах показывает, как поддерживается баланс распределения белка Ras: белок с липидным якорем (красный) переносится мембранными пузырьками (голубые кружки) из аппарата Гольджи к клеточной мембране. Фермент APT1 (зеленый) удаляет якорь, полученный в процессе пальмитации, из тех молекул Ras, которые встроены в другие мембраны. Депальмитированный Ras (оранжевый) свободно плавает по клетке, а затем поглощается аппаратом Гольджи, после чего весь цикл повторяется. Таким образом, клетки используют простой принцип транспортировки Ras и других пальмитированных белков к месту их назначения: локализованный центр распределения (Гольджи), направленный транспорт к месту назначения, а также удаление целевых мишеней (депальмитация) и последующее возвращение в транспортный цикл. (Фото Филиппа Бастиенса)

Новое вещество подавляет раковый белок

Ученые пошли на шаг дальше, заложив основы для потенциального использования своих открытий в терапии рака. Белок Ras – яркий представитель пальмитированных белков. Мутации и гене ras обнаруживаются в клетках многих форм рака. Однако Ras способен полноценно функционировать, только когда он встроен в клеточную мембрану и не попадает в другие мембраны. Поэтому ученые разработали ингибитор, который назвали пальмостатином B, для противодействия ферменту, ответственному за отделение липидного якоря. Если такой фермент «выключен», пальмитированный Ras остается встроенным в клеточную мембрану, откуда он попадает в мембраны других органелл.

Использовав пальмостатин В, ученые впервые смогли подавить белок Ras без полного его отключения. Если Ras полностью инактивирован, умирает даже здоровая клетка. В противоположность этому случайное его распределение в клетке подавляет только вредное влияние мутировавшего варианта белка. Раковые клетки снова становятся здоровыми. Благодаря этому открытию Ras-зависимые опухоли когда-нибудь будут лечить методами, не приносящими вреда здоровым клеткам.

http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010 … m-pravilam

Трансформация нейтрино

Сотрудники Национальной лаборатории Гран-Сассо, занятые в эксперименте OPERA, объявили о наблюдении нейтринных осцилляций.

О необычных свойствах нейтрино, стабильных нейтральных частиц, чрезвычайно слабо взаимодействующих с веществом, заговорили в 60-х годах прошлого века, когда будущий лауреат Нобелевской премии американец Рэймонд Дэвис и его коллеги провели эксперимент по регистрации электронных нейтрино, испускаемых Солнцем. Оказалось, что зафиксированное в опыте количество частиц значительно уступает расчётному; следовательно, ошибочными были либо модели процессов в объёме Солнца, либо само понимание физики нейтрино.

Возможное решение «проблемы солнечных нейтрино» предложили советские теоретики Бруно Понтекорво и Владимир Грибов. В их модели недостаток частиц объяснялся тем, что нейтрино разных поколений (электронное, мюонное или тауонное) могут «превращаться» друг в друга: вероятность обнаружения частицы определённого сорта периодически изменяется по мере её движения.

Известно большое число возможных способов наблюдения нейтринных осцилляций, и некоторые опыты уже дали положительные результаты. Основная задача проекта OPERA — непосредственная регистрация этого явления.

В качестве источника нейтрино коллаборация OPERA использует суперпротонный синхротрон Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), расположенный в 730 км (по прямой, проходящей сквозь земную кору) от Лаборатории Гран-Сассо. Ускоренный в ЦЕРН пучок протонов направляется на мишень, где в момент взаимодействия рождаются пионы и каоны. Их распад проходит с образованием мюонных нейтрино, пучок которых через 2,4 мс достигает детектора OPERA, собранного из небольших отдельных блоков. Эти блоки содержат чередующиеся слои свинца и материала, покрытого ядерной эмульсией. Около 150 тыс. блоков по 8,3 кг каждый образуют огромный 1 250-тонный массив.

Сбор данных участники эксперимента начали в 2006 году, но только сейчас им удалось обнаружить в одном из блоков следы взаимодействия тау-нейтрино, отличного от исходных мюонных. Исследователи подчёркивают: в проведённых ранее опытах регистрировалось только «исчезновение» мюонных частиц, а не появление новой, тауонной. «Это, безусловно, важный шаг в развитии физики нейтрино, — поздравил своих коллег генеральный директор ЦЕРН Рольф Хойер (Rolf Heuer). — Мы с нетерпением ждём появления теорий, объясняющих полученный результат».

Ценность наблюдений нейтринных осцилляций определяется тем, что это явление возможно только при ненулевой массе нейтрино. Последнее утверждение не соответствует Стандартной модели физики частиц, что, как правильно замечает г-н Хойер, приводит к необходимости разработки уточнённых моделей.

http://science.compulenta.ru/535562/?r1 … mp;r2=news

И вторая статья на эту же тему.

Долгое время учёные могли лишь предполагать, куда исчезают и откуда вдруг появляются нейтрино разного типа (электронное, мюонное и таонное). Во всём обвиняли так называемые осцилляции нейтрино (neutrino oscillation), но никто ранее не мог зарегистрировать их напрямую.

Неуловимые частицы (без заряда и почти без массы) совсем заморочили голову физикам. Они образуются в ряде ядерных реакций и при радиоактивном распаде и прошивают Землю насквозь практически без взаимодействия с веществом.

Учёные вроде бы поняли, как они рождаются. Но при этом в экспериментах их количество и соотношение часто не соответствует предсказанному. Потому возникло предположение о "невидимом" переходе между разными типами частиц (косвенные признаки его существования неоднократно фиксировали в самых разных опытах).

Нынешний эксперимент, проведённый на детекторе OPERA в Национальной лаборатории Gran Sasso, позволил увидеть переход напрямую. Физики использовали мюонные нейтрино, полученные в 730 километрах в Европейском центре ядерных исследований (CERN) при столкновении пучка протонов с куском металла.

Компьютерная реконструкция произошедшей "реакции". Мюонное нейтрино превратилось в таонное, которое ударилось о ядро свинца и испустило тау-лептон, тут же распавшийся до чего-то ещё (daughter) (иллюстрация OPERA).

Путешествуя по направлению исходного луча протонов, высокоэнергетические частицы через 2,4 миллисекунды попали на "кирпичики" OPERA. В случае если бы мюонное нейтрино поглотилось ядром свинца, был бы выпущен мюон. Если же мюонное нейтрино прежде превратилось в таонное, то был бы выделен тау-лептон. Именно его среди 6000 пойманных нейтрино (а это треть данных за 2008 год) и обнаружили исследователи.

Осталось насобирать достаточно таких событий, чтобы с уверенностью сказать, что учёные всё же были правы в своих догадках. К тому же новые поступления помогут понять, соответствует ли доля таких осцилляций предсказанной.

http://www.membrana.ru/lenta/?10466

Отредактировано VPolevoj (27-01-2011 10:05:20)

Погружаясь вглубь клетки

Биохимики всегда стремились найти наиболее доступный и «мягкий» способ проникать вглубь клеток. В частности, к настоящему времени разработаны и опробованы на практике стеклянные пипетки с толщиной наконечника до 25 нм. Однако проникновение такой пипетки вглубь клетки на расстояния более 1 мкм зачастую приводит к ее серьезному повреждению. Серьезного улучшения не удалось достичь, даже после получения углеродных нанопипеток (где в качестве шаблона вновь выступала стеклянная пипетка) c толщиной наконечника до 10 нм. Считается, что это может быть связано с конической формой наконечника. Поэтому международный коллектив исследователей решил использовать в качестве наконечника нанопипетки углеродные нанотрубки (УНТ). Для нанесения УНТ (внешний диаметр варьировался от 50 до 200 нм, а длина нанотрубок составляла десятки нанометров) авторы статьи использовали специально разработанную ими технологию (рис.1).

Стеклянная пипетка, наполненная суспензией УНТ, приводится в контакт со стеклянной подложкой. ii. Удаляя стеклянную пипетку от подложки, благодаря силам поверхностного натяжения из суспензии вытягивается УНТ. iii. Вытянутая УНТ приклеивается к стеклянной пипетке эпоксидной смолой.

Для более наглядного подтверждения авторы статьи исследовали HeLa клетки, в которых вырабатывается люминесцирующий белок EYFP-β-актин, благодаря которому возможна простая визуализация микрофиламентов – составной части цитоскелета (рис.2). На микрофотографиях отчетливо видно, что наконечник эндоскопа, проникая внутрь клетки, приводит лишь к локальным повреждениям цитоскелета, либо же вообще оставляет цитоскелет неизменным.

Микрофотографии, полученные методом интерференционной микроскопии до (а) и после введения обычной стеклянной пипетки (b) и соответствующие фотографии, полученные методом люминесцентной микроскопии (c,d). Микрофотографии, полученные методом интерференционной микроскопии до (e) и после введения стеклянной пипетки c наконечником из УНТ, диаметром 100 нм (f), и соответствующие фотографии, полученные методом люминесцентной микроскопии (g,h).

http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/pog … lub-kletki

Для того, чтобы повысить чувствительность прибора, на наконечник из УНТ необходимо нанести металлические наночастицы – именно они обеспечивают усиление сигнала комбинационного рассеяния. Для этого УНТ была обработана кислотой (для образования на поверхности отрицательно заряженных функциональных групп) и катионным полиэлектролитом. После этого отрицательно заряженные 20 нм коллоидные наночастицы золота сорбировались на поверхности нанотрубки (рис. 3).

Микрофотографии, УНТ, с нанесенными золотыми наночастицами, полученные методом электронной микроскопии.

Для демонстрации практических возможностей эндоскопа авторы статьи снова использовали клетку HeLa. Как и в предыдущих исследованиях ученые акцентируют особое внимание на том, что их эндоскоп не наносит существенного вреда структуре клетки, что критично для внутриклеточного анализа. В результате внутриядерного SERS-анализа ученым удалось обнаружить молекулу ДНК, пролин, нуклеотиды и белки, в то время как при анализе цитозоля авторы статьи увидели сигналы, отнесенные к колебаниям молекул, характерных именно для него (рис.4).

Спектры поверхностно-усиленного рамановского рассеяния, полученные с помощью эндоскопа, предложенного авторами статьи.

http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/pog … b-kletki-2

Отредактировано VPolevoj (31-01-2011 12:02:31)