Исследование впервые демонстрирует, как крохотные частицы остаются невредимыми во время своего путешествия.
Учёные открыли секрет структурной целостности крохотных частиц, транспортирующих грузы от клетки к клетке через кровеносные сосуды и жидкости организма — это специальные белки, сохраняющие свои мембраны за счёт переключения электрических импульсов в различных биологических средах.
Эти частицы, именуемые внеклеточными везикулами, рассматриваются в качестве новой перспективной модели медикаментозного лечения. Но до сих пор у исследователей не было полной картины того, как они работают.
В новой работе исследовательская группа под руководством медиков-исследователей из Университета штата Огайо определила, что в этих везикулах присутствует ионный канал — белок, открывающий коридор, который позволяет электрическим импульсам проходить сквозь защитный слой внешней мембраны, и благодаря этой важной стадии, содержимое и условия внутри клетки остаются стабильными.
В экспериментах на животных также было показано, что ионные каналы влияют на переносимый груз, что означает, что белок важен не только в отношении структуры внеклеточных везикул (ВВ), но и в отношении исполняемых ими функций. Исследователи сравнили влияние молекул РНК, транспортируемых ВВ с мембранным белком и без него на мышей с больным сердцем. Только молекулы, транспортируемые ВВ с ионными каналами, обладали способностью восстанавливать повреждённое сердце.
Ведущими авторами исследования были профессор физиологии и клеточной биологии Харприт Сингх и профессор скоропомощной медицины Махмуд Хан, оба работают в Медицинском колледже штата Огайо.
«Мы не просто обнаружили в этих везикулах ионные каналы. Мы впервые в истории зафиксировали функционирующие каналы, — говорит Сингх. — Начиная с формирования простой фундаментальной гипотезы, что эти везикулы должны обладать ионными каналами, до демонстрации того, что эти везикулы несут разные грузы, которые могут либо защищать ваши клетки, либо вредить им — в данном случае речь идёт о клетках сердца — мы рассказали всю историю от начала до конца».
Статья была опубликована 2 января в журнале Nature Communications.
Внеклеточные везикулы переносят белки и другие молекулы от клеток-доноров к клеткам-реципиентам, чтобы изменять физиологический или биологический ответ. Помимо того, что они способствуют межклеточной коммуникации и поддерживают клеточный баланс, эти частицы ассоциируются с иммунным ответом, инфекционностью вирусов и сердечно-сосудистыми заболеваниями, раком и неврологическими расстройствами.
Являясь специалистом в исследовании ионных каналов, Сингх предсказал, что ВВ должны обладать ионными каналами, чтобы безопасно транспортировать молекулы из внутриклеточного пространства во внеклеточную среду и обратно к другим типам клеток. В противном случае их мембраны взорвутся под воздействием потока воды, инициируемого осмотическим стрессом или шоком, так как положительные или отрицательные заряды ионов в этих меняющихся средах имеют свои приливы и отливы.
«Из нашего опыта и всей огромной работы, проведённой в этой области за последние сто лет, нам известно, что ионные каналы обладают очень и очень большой важностью для поддержания любой структуры, где имеется мембрана», — говорит Сингх.
Возьмём, к примеру, электролит калий. Это — наиболее распространённый положительно заряженный ион внутри клеток, но во внеклеточной среде его концентрация в 30 раз ниже.
«Неожиданно, внеклеточная везикула попадает из огромной концентрации калия в низкую концентрацию калия. Что произойдёт, если вы не способны поддерживать ионный баланс? Вы испытаете осмотический шок» — говорит он.
В целях проведения этой работы исследователи выделили мышиные ВВ, предоставленные Ханом, также являющимся директором базовых и трансляционных исследований на факультете неотложной медицины, чья лаборатория занимается восстановлением повреждённых мышц сердца с помощью стволовых клеток.
Так как эти частицы крайне малы, учёные создали метод, который назвали электрофизиологией ближней зоны, чтобы фиксировать ток на мембранах ВВ. С помощью этого метода было установлено присутствие активируемого кальцием высокопроводимого калиевого канала (BKCa).
Затем они выделили ВВ у нормальных мышей и мышей с нокаутированным геном, кодирующим калиевый канал BK, и обнаружили, что грузы, переносимые ВВ мышей с нокаутированным геном, сильно отличались количеством и размером, предполагая, что канал ВКСа играет функциональную роль.
«Было известно, что несколько регулирующих активацию генов небольших сегментов РНК, которые были обнаружены в грузе везикул нормальных мышей, защищают сердце от окислительного стресса», — говорит Хан. — ВВ от мышей без гена канала ВК содержали другой набор таких сегментов, именуемых микроРНК.
Эти результаты привели к проведению экспериментов на животных в лаборатории Хана, в которых ВВ нормальных мышей и мышей без гена ВК вводились мышам с больным сердцем.
«ВВ немутантных животных защищали сердце, — говорит Сингх. — ВВ от нокаут-мышей не могли как следует защитить сердце и фактически ухудшали ситуацию. В везикулах без каналов содержалось большое количество плохих микроРНК».
«Отличается ли груз из-за разницы в упаковке или причина в том, что везикулы без каналов не выживают? Этот вопрос остаётся открытым, и мы пытаемся его решить».
Ещё один из главных вопросов — идентификация белков, именуемых переносчиками, которые позволяют везикулам поддерживать ионный баланс при переходе из внеклеточной среды обратно внутрь клетки с высокой концентрацией калия.
«Помимо обогащения фундаментальных знаний о внеклеточных везикулах, —говорит Сингх, — эта работа потенциально может способствовать развитию их применения в качестве терапевтических средств.
«Некоторые говорят, что эти везикулы можно нагрузить заряженными молекулами, будь то медицинские препараты, РНК-белки или что-то ещё. Если вы нагрузите их заряженными молекулами, не поддерживая ионный гомеостаз, вы столкнётесь с некоторыми последствиями, — говорит он. — В этом заключается наша основная идея: если вы занимаетесь биоинжинирингом ВВ, вам нужна правильная комбинация ионных каналов и переносчиков».
Автор — Эмили Колдуэлл (Emily Caldwell).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Университетом штата Огайо (Ohio State University).
Вам также может быть интересно:
