Нервные клетки располагают удивительными стратегиями, позволяющими им экономить энергию и в то же время выполнять самые важные задания. Исследователи из Университетской клиники Бонна (УКБ) и Боннского университета, а также Университетского медицинского центра в Гёттингене обнаружили, что нейронная программа сохранения энергии определяет местоположение и количество информационных РНК (иРНК) и белков и варьируется в зависимости от длины, срока жизни и других свойств соответствующей молекулы. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
В последние годы мы все сталкиваемся с необходимостью экономить энергию. Чтобы сделать это, нам приходится разрабатывать стратегии по энергосбережению, при этом продолжая удовлетворять важнейшие из своих потребностей. «Наши нервные клетки сталкиваются с похожей дилеммой — им нужно обеспечивать свои синапсы, то есть точки, контактирующие с другими нейронами, но также организовать синтез белков таким образом, чтобы не вырабатывать слишком много или слишком мало белков. В то же время им нужно транспортировать белки на дальние расстояния к синапсам, не забывая о статье расходов на энергию. Как им это удаётся?» — задалась вопросом профессор Татьяна Чумаченко, ответственный автор работы и руководитель исследовательской группы Института экспериментальной эпилептологии и исследований мыслительных процессов Университетской клиники Бонна.
Меры, направленные на экономию энергии, объясняют распределение белков
Несмотря на свой относительно небольшой размер, мозг потребляет около 20 процентов от всей энергии организма. Как и во всех клетках, нейронные функции подвержены строгим ограничениям в отношении энергозатрат, которые особенно ярко выражены в мозге, в силу его высоких требований к количеству потребляемой энергии. Группе исследователей удалось показать, что синтез и разрушение всех нейронных молекул отвечает за особенно высокий расход клеточной энергии, и, таким образом, требует мер, направленных на экономию энергии.
Все клетки, включая нейроны, требуют от белков надлежащего выполнения своих функций. Они вырабатываются благодаря процессу, именуемому экспрессией генов, при котором необходимая информация копируется из гена в информационную РНК (иРНК). Зрелая иРНК затем транслируется в необходимый белок. Благодаря достижениям биохимии и микроскопии теперь можно точно установить расположение в клетке отдельных копий иРНК и соответствующих белков и провести количественную оценку тысяч видов иРНК и белков. Впервые исследователи могут изучить сложные принципы организации, контролирующие пространственные модели экспрессии генов и применяющиеся ко всем типам молекул.
Исследователи сопоставили экспериментальные данные более десятка крупномасштабных скринингов иРНК и протеомики, включавших десятки тысяч видов молекул. «Мы обнаружили, что стремление сэкономить энергию определяет количество и местоположение иРНК и белков, по-разному влияя на каждый вид молекул, в зависимости от длины, жизненного цикла и других свойств молекулы», — объясняет первый автор Корнелиус Бергманн, докторант Боннского университета в Институте экспериментальной эпилептологии и исследований мыслительных процессов.
Результаты показывают, что энергозатраты на синтез, транспорт и разрушение молекул, их положение в пространстве и общее количество ограничиваются решениями энергетической эффективности. «Если бы определённые белки с коротким сроком жизни синтезировались внутри тела клетки, многие из них не добрались бы живыми до синапсов в силу длительного времени, проведённого в пути», — добавляет проф. Чумаченко. — Это было бы пустой тратой энергии на белки, не способные выполнить свою задачу». Вычислительная модель в данном исследовании показывает, что в связи с этим белки преимущественно синтезируются в разветвлённых сужающихся отростках нервной клетки, так называемых дендритах, если расход энергии «по пути» из тела клетки к синапсам больше, чем энергия, необходимая для транспортировки иРНК к дендритам.
Новые перспективы исследований экспрессии генов
Однако результаты, полученные исследователями, выходят за рамки сохранения энергии. «Наши результаты проливают свет на организационные принципы экспрессии генов в клетках, действующие на различные виды молекул и выходящие за пределы индивидуальных механизмов регуляции», — говорит соавтор статьи, профессор Сильвио Риззоли, директор департамента нейрофизиологии Университетского медицинского центра в Гёттингене.
Самым удивительным результатом для исследователей было то, что физические свойства белков, такие как длина или продолжительность жизни, а не их специфическая функция, обладают таким сильным влиянием на энергетический бюджет и, таким образом, на место их синтеза. Соавтор исследования Канаан Моусеи, постдок Института экспериментальной эпилептологии и исследований мыслительных процессов подчёркивает: «Наша модель даёт новую точку зрения на коррелирование десятков существующих массивов данных из разных лабораторий».
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Университетской клиникой в Бонне (Universitatsklinikum Bonn).
Вот что ещё можно почитать: