Секреты секреции: Транспорт белков в клетках

Журнал для юных умов > С точки зрения науки > Секреты секреции: Транспорт белков в клетках

Секреция - это фундаментальный процесс, в ходе которого клетки выделяют вещества во внешнюю среду. Секреция необходима для многих функций организма, включая рост, пищеварение и клеточную коммуникацию. Чтобы секретироваться, белки должны пройти через различные участки внутри клеток, которые вместе образуют так называемый секреторный путь. В этой статье я расскажу вам о секреторном пути и этапах, через которые проходят белки с момента их производства до секреции. Затем я расскажу об оригинальной работе, которую мы провели в нашей лаборатории, чтобы выявить гены, связанные с секреторным путем в дрожжевых клетках. Наконец, я объясню важность нашей работы для общего изучения секреторного пути как в дрожжах, так и в клетках млекопитающих.

Профессор Рэнди Шекман получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2013 года совместно с профессором Джеймсом Ротманом и профессором Томасом Зюдхофом за открытие механизмов, регулирующих движение везикул, основной транспортной системы в наших клетках.

Секреты секреции

Наши сложные тела выполняют различные функции, многие из которых требуют переноса веществ из одного места в другое. Один из ключевых процессов, связанных с перемещением веществ в организме, называется секрецией [ 1 ]. Секреция - это контролируемое выделение веществ изнутри клетки в кровь или в другие клетки. Например, клетки пищеварительного тракта выделяют пищеварительные ферменты, которые помогают расщеплять пищу, которую мы едим, а клетки желез выделяют гормоны, которые поддерживают наш рост и развитие. Другой тип секреции происходит в мозге, где нервные клетки выделяют мессенджеры, называемые нейротрансмиттерами, для связи с другими нервными клетками.

Прежде чем клетка выделит вещество, оно должно сначала образоваться внутри клетки, а затем переместиться изнутри клетки через мембрану и выйти наружу. Звучит просто, верно? На самом деле этот процесс довольно сложен. Как вы уже, наверное, знаете, клетки всех эукариот, включая человека, построены по принципу компартмента и содержат различные "органы", называемые органеллами (рис. 1А). Каждая органелла выполняет специфические функции, и для ее оптимального функционирования необходима своя особая среда. Эта среда может быть очень разной и часто конкурирует со средой других органелл или других областей внутри клетки. Поэтому каждая органелла окружена мембраной, которая отделяет ее от остальной части клетки. Эта мембрана - как барьер, препятствующий свободному перемещению веществ в органеллу и из нее, точно так же, как мембрана клетки препятствует свободному перемещению веществ в клетку и из нее. Таким образом, возникает проблема: как вещества проходят через эти мембраны и секретируются, если задача мембраны - не пропускать их (рис. 1В)?

Оказывается, существует особый механизм, позволяющий передавать вещества между органеллами и за пределы клетки. В этом механизме участвуют маленькие носители, называемые везикулами, которые подобны маленьким автомобилям, доставляющим вещество пассажира к месту назначения [1, 2 ]. В следующем разделе я расскажу вам о производстве и действии везикул, участвующих в секреции молекул, называемых белками, которые являются "рабочими", приводящими в движение многие процессы в организме.

Секреторный путь белков

Около 30 % белков, производимых в человеческом организме, являются секреторными белками, то есть белками, предназначенными для выделения из клеток. Как и все белки, секреторные белки производятся в швейных машинах, называемых рибосомами (Нобелевская премия по химии 2009 года была присуждена трем исследователям, изучавшим структуру и функции рибосом). Рибосомы, производящие секреторные белки, расположены на специальном канале в мембране органеллы, называемой эндоплазматическим ретикулумом (ER). После того как секреторные белки произведены, они проходят через канал, встроенный в мембрану ER, в сеть канальцев ER, похожих на каналы, которые разбросаны вокруг клетки. Там другие белки, называемые белками оболочки, образуют на небольшой поверхности мембраны ER особую структуру, похожую на купол. Этот купол собирает секреторные белки, а затем отщепляет небольшие сферы мембраны - везикулы, которые содержат секреторный белковый груз, произведенный в мембране ЭР. Этот процесс формирования везикул, при котором отщепляется часть мембраны ЭР, называется бутонизацией [1, 2]. После почкования белки оболочки отпадают от везикул, а голые везикулы, содержащие секреторные белки, попадают в органеллу, называемую аппаратом Гольджи. Аппарат Гольджи сортирует и направляет везикулы с секреторным грузом к месту их конечного назначения - клеточной мембране (также называемой плазматической мембраной). В плазматической мембране с помощью дополнительных белков (таких как SNARE и RAB) везикулы проходят через

Как видите, процесс производства, транспортировки и секреции белков довольно сложен. Можно представить его как автосборочный завод, где автомобиль собирается по частям на конвейере, прежде чем его можно будет отправить с завода. Линия сборки" секреторных белков называется секреторным путем [ 4 ], а процесс, в ходе которого везикулы переносят вещества между компартментами внутри клетки и за ее пределы, называется трафикингом везикул (рис. 2). Возможно, вы удивитесь, узнав, что многие из механизмов, контролирующих перемещение везикул по секреторному пути, существуют в клетках уже более 2 миллиардов лет! Это означает, что клетки нашего тела, включая нервные клетки нашего мозга, имеют общие базовые механизмы секреции с более простыми организмами, такими как дрожжи [ 5 , 6 ]. Фактически, первые открытия о механизме, управляющем секреторным путем, были сделаны на примере дрожжей [ 7 - 9 ]. В следующем разделе я расскажу вам о первых открытиях, сделанных на дрожжах в моей лаборатории, которые принесли мне Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Рисунок 2 - Секреторный путь.

Секреторный путь у дрожжей

Когда я вместе со своими студентами начал изучать секреторный путь, существовало несколько гипотез о механизме, контролирующем трафикинг везикул, но никто не определил гены, участвующие в этом механизме. Мы полагали, что изучение генов, участвующих в секреторном пути, станет мощным способом узнать о трафике везикул. Мы выбрали для работы пекарские дрожжи - простой микроорганизм, который используется для приготовления хлеба и пива. Пекарские дрожжи привлекали нас тем, что их можно было легко выращивать в лаборатории, и у нас были простые методы точного анализа их генов.

Чтобы выявить гены, связанные с секреторным путем у дрожжей, мы подвергли дрожжевые клетки воздействию химических веществ, которые вызывают случайные изменения в ДНК, называемые мутациями. Случайные мутации влияют на один ген из примерно 5 000 генов дрожжей. Как же нам удалось выявить один конкретный ген секреторного пути в этом стоге генов? Прежде всего, мы знали, что ищем важные гены - гены, которые необходимы клеткам для выживания. Мы знали, что если внести в важный ген мутацию, которая полностью инактивирует этот ген, то клетка погибнет и у нас не останется клеток для работы. Поэтому нам нужно было каким-то образом внести мутацию, которая позволила бы клетке оставаться живой достаточно долго, чтобы мы могли ее изучать. Среди множества мутаций, которые мы ввели случайно, некоторые случайно изменили белок, кодируемый этим геном, и сделали его нестабильным при температуре человеческого тела. Нормальные дрожжевые клетки прекрасно себя чувствуют при температуре человеческого тела, но эти конкретные мутации могут функционировать только при комнатной температуре. Такие мутации называются термочувствительными летальными мутациями [ 10 ]. Таким образом, используя чувствительные к температуре летальные мутации, мы можем сузить круг поиска примерно до 1 500 необходимых генов из 5 000 всех генов дрожжей. Это все еще большое число, поэтому нам нужен был еще один параметр, который помог бы нам найти гены, ответственные за трафикинг везикул. Для этого мы основывались на гипотезе Джорджа Палада, лауреата Нобелевской премии, который стал пионером в изучении секреторной системы.

В частности, мы искали скопление белка под названием инвертаза, который является ферментом, расщепляющим сахарозу (столовый сахар) на два меньших сахара - фруктозу и глюкозу. Обычно инвертаза содержится в клеточной стенке дрожжевых клеток, поэтому, когда процесс секреции работает правильно, мы ожидаем увидеть такое же количество продуктов фруктозы и глюкозы при инкубации целых клеток в сахарозе, как и при разрыве клеток и инкубации их кусочков в сахарозе. Однако если процесс секреции не функционирует должным образом и инвертаза накапливается внутри клеток, мы должны получить большее количество фруктозы и глюкозы при инкубации разрушенных клеток по сравнению с целыми. Именно такой результат мы получили в эксперименте под руководством моего блестящего ученика Питера Новика, который мы опубликовали в 1979 году [7]. Ген, который был изменен в результате этой мутации, мы назвали sec1. Когда мы исследовали клетки с мутировавшим sec1 с помощью мощного микроскопа, называемого электронным, мы увидели, что внутри клетки скопилось множество везикул, содержащих инвертазу (рис. 3А). Это было очень интересно - впервые было замечено накопление везикул внутри клетки. Эта находка также послужила весомым доказательством в пользу гипотезы Джорджа Палада о взаимосвязи секреции и клеточного роста. После этого нам пришлось продолжить работу, чтобы понять, какую именно роль играет белок sec1 (образующийся в соответствии с инструкциями гена sec1) в транспортировке везикул.

Рисунок 3 - Открытие Sec1 в дрожжах Бейкера, удостоенное Нобелевской премии.

В конце концов, мы выяснили, что белок sec1 участвует в заключительном этапе процесса секреции, а именно в стыковке и слиянии. Вскоре после идентификации мутанта sec1 мы выявили еще больше мутантов, вовлеченных в процесс секреции дрожжей [ 8 ], и начали понимать порядок событий, происходящих в секреторном пути дрожжей [9]. Наши открытия генов, вовлеченных в секреторный путь дрожжей, также способствовали пониманию того, как этот процесс происходит у млекопитающих, включая человека [6]. Точнее, многие из открытых нами генов и белков оказались аналогами в клетках млекопитающих. Одним из ведущих ученых, обнаруживших некоторые аналоги открытых нами генов, является профессор Джеймс Ротман, с которым я разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2013 году. После получения Нобелевской премии я даже смог встретиться со своим баскетбольным кумиром Карим Абдулом Джаббаром! (Рисунок 3B).

Наша работа была новаторской по двум причинам: во-первых, из-за того, что мы обнаружили конкретные гены, участвующие в секреторном пути, а также из-за того, что мы впервые успешно использовали микробную генетику для изучения секреторного пути. Наши находки открыли новое направление исследований, которому многие мои студенты и их ученики следовали на протяжении многих лет. Как только секреторный путь у дрожжей был хорошо изучен, люди начали использовать эти знания в медицинских целях. Один из важных примеров, в котором я принимал участие, - использование дрожжевого секреторного пути для производства человеческого инсулина для лечения диабета [10]. Поскольку секреция является таким фундаментальным процессом в человеческом организме, существует множество других примеров медицинских состояний, которые можно лечить на основе нашего растущего понимания секреторного пути - например, сердечно-сосудистые заболевания и проблемы с пищеварением. Хотя я никогда не собирался участвовать в разработке медицинских приложений, я рад, что наша работа способствует лечению, которое помогает людям во всем мире.