Исследователи определили движущую силу клеточного процесса, связанного с нейродегенеративными расстройствами, такими как болезнь Паркинсона и болезнь моторных нейронов. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science Advances, исследователи из Кембриджского университета показывают, что крошечные компоненты внутри клетки являются биологическими двигателями эффективного производства белка.

Эндоплазматический ретикулум (Эр) - это белковая фабрика клетки, производящая и модифицирующая белки, необходимые для обеспечения здоровой функции клетки. Это самая большая органелла клетки и существует в паутинной структуре трубок и листов. Эр движется быстро и постоянно меняет форму, распространяясь по всей клетке туда, где она необходима в данный момент.

Используя методы микроскопии сверхразрешения, исследователи из Кембриджского отделения химической инженерии и биотехнологии (CEB) обнаружили движущую силу этих движений—прорыв, который может оказать значительное влияние на изучение нейродегенеративных заболеваний.

"Известно, что эндоплазматический ретикулум имеет очень динамичную структуру-постоянно растягивается и расширяет свою форму внутри клетки", - сказал доктор Мэн Лу, научный сотрудник группы лазерной аналитики, возглавляемой профессором Клеменсом Камински.

"Скорая помощь должна быть в состоянии эффективно и быстро добраться до всех мест, чтобы выполнять основные хозяйственные функции внутри клетки, когда бы и где бы ни возникла необходимость. Нарушение этой способности связано с такими заболеваниями, как болезнь Паркинсона, Болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и бас. До сих пор было ограниченное понимание того, как ER достигает этих быстрых и захватывающих изменений в форме и как он реагирует на клеточные стимулы."

Лу и его коллеги обнаружили, что ключом является другой клеточный компонент—небольшие структуры, которые выглядят как крошечные капельки, содержащиеся в мембранах, называемые лизосомами.

Лизосомы можно рассматривать как центры переработки клеток: они захватывают поврежденные белки, разбивая их на исходные строительные блоки, чтобы их можно было повторно использовать для производства новых белков. Лизосомы также действуют как сенсорные центры-улавливают сигналы окружающей среды и передают их другим частям клетки, которые соответственно адаптируются.

Там может быть до 1000 или около того лизосом, проносящихся вокруг клетки в любой момент времени, и с ними ER, кажется, меняет свою форму и местоположение, по-видимому, организованным образом.

Что удивило кембриджских ученых, так это открытие причинно-следственной связи между движением крошечных лизосом внутри клетки и процессом перестройки большой сети ER.

"Мы могли бы показать, что именно движение самих лизосом заставляет ER изменяться в ответ на клеточные стимулы", - сказал Лу. "Когда клетка чувствует, что есть потребность в лизосомах и Эр, чтобы путешествовать в дальние уголки клетки, лизосомы тянут паутину Эр вместе с ними, как крошечные локомотивы."

С биологической точки зрения это имеет смысл: лизосомы действуют как сенсор внутри клетки, а Эр-как единица реакции; координация их синхронной функции имеет решающее значение для здоровья клеток.

Чтобы обнаружить эту удивительную связь между двумя очень разными органеллами, исследовательская группа Камински использовала новые технологии визуализации и алгоритмы машинного обучения, которые дали им беспрецедентное понимание внутренней работы клетки.

"Удивительно, что теперь мы можем заглянуть внутрь живых клеток и увидеть удивительную скорость и динамику клеточных механизмов в таких деталях и в реальном времени", - сказал Камински. -Всего несколько лет назад наблюдать, как органеллы занимаются своими делами внутри клетки, было бы немыслимо."

Исследователи использовали образцы освещения, проецируемые на живые клетки с высокой скоростью, и передовые компьютерные алгоритмы для восстановления информации в масштабе, более чем в сто раз меньшем, чем ширина человеческого волоса. Запечатлеть такую информацию на видео скоростях стало возможным только недавно.

Исследователи также использовали алгоритмы машинного обучения для автоматического извлечения структуры и движения ER-сетей и лизосом из тысяч наборов данных.

Команда расширила свои исследования, чтобы посмотреть на нейроны или нервные клетки-специализированные клетки с длинными выступами, называемыми аксонами, по которым передаются сигналы. Аксоны представляют собой чрезвычайно тонкие трубчатые структуры, и было неизвестно, как движение очень большой сети ER организовано внутри этих структур.

Исследование показывает, как лизосомы легко перемещаются вдоль аксонов и тянут ER за собой. Исследователи также показывают, насколько замедление этого процесса вредно для развития растущих нейронов.

Часто исследователи наблюдали события, когда лизосомы действовали как ремонтные двигатели для разъединенных или сломанных частей структуры ER, сливая и сплавляя их в неповрежденную сеть снова. Таким образом, данная работа актуальна для понимания нарушений нервной системы и ее восстановления.

Команда также изучала биологическое значение этого связанного движения, обеспечивая стимул—в данном случае питательные вещества-для восприятия лизосом. Было замечено, что лизосомы движутся в направлении этого сигнала, таща за собой сеть ER, чтобы клетка могла вызвать подходящий ответ.

"До сих пор было мало известно о регуляции структуры ER в ответ на метаболические сигналы", - сказал Лу. "Наше исследование обеспечивает связь между лизосомами как сенсорными единицами, которые активно управляют локальным Эр-ответом."

Команда надеется, что их идеи окажутся бесценными для тех, кто изучает связи между болезнью и клеточным ответом, и их собственные следующие шаги сосредоточены на изучении функции и дисфункции ER при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера.

Нейродегенеративные расстройства связаны с агрегацией поврежденных и неправильно свернутых белков, поэтому понимание основных механизмов функционирования Эр имеет решающее значение для исследования их лечения и профилактики.

"Открытия ER и лизосом были удостоены Нобелевской премии много лет назад—они являются ключевыми органеллами, необходимыми для здоровой клеточной функции", - сказал Камински. "Удивительно думать, что еще так много предстоит узнать об этой системе, которая невероятно важна для фундаментальной биомедицинской науки, стремящейся найти причину и лечение этих разрушительных заболеваний."

ИСТОЧНИК