Оказывается, что скромная вакуоль, мусорная куча внутри клеток, играет важную роль в процессе старения.
Изнутри клетка похожа на дом с множеством комнат. Небольшие компартменты, именуемые органеллами, представляют собой внутриклеточные версии органов, вроде печени или поджелудочной железы в организме человека. Каждой органелле присвоен собственный специализированный набор задач. Например, есть ядро, дом клеточной ДНК, вырабатывающие энергию митохондрии и рибосомы, которые собирают воедино целые белки. Менее известной органеллой является скромная вакуоль, долгое время считавшаяся мусорной корзиной клеток. По традиции, вакуоли известны тем, что очищают клетку, разрубая дефективные белки и избавляясь от них. Они способны делать это, поддерживая внутри себя кислую среду. На мембране вакуоли располагается ряд белковых насосов, которые перемещают положительно заряженные ионы водорода (Н+) из окружающего цитозоля внутрь вакуоли, за счёт чего повышается их кислотность.
Недавние исследования показали, что вакуоли — больше, чем просто мусорная куча клетки. На самом деле они играют жизненно важную роль в том, как клетка интегрирует информацию о своём пищевом статусе, и они освобождают или изолируют питательные вещества в соответствии с потребностями клетки, которые изменяются на протяжении всего клеточного цикла.
Вакуоли используют протонный градиент (разницу в кислотности на внутренней и внешней стороне мембраны), чтобы обеспечить энергией белки на своей поверхности, известные как транспортёры аминокислот. Транспортёры позволяют вакуоль перемещать аминокислоты внутрь и изолировать их, а затем освобождать из на определённом этапе клеточного цикла, когда клетка готова к делению и производству дочерней клетки.
Группа исследователей из Calico Labs в Сан-Франциско, основанной компанией Alphabet, недавно показала, что чтобы это провернуть, клетка подвергается серьёзнейшим колебаниям pH — показателя кислотности внутри клетки — во время каждого клеточного цикла. Эти колебания pH координируют высвобождение аминокислот именно в тот момент, когда они необходимы для обеспечения дочерней клетки питательными веществами. В противном случае, неконтролируемое высвобождение аминокислот может отравить митохондрии, приводя к нарушению обмена веществ и другим проблемам, связанным с болезнью и смертью. Таким образом, колебания pH — и их нарушение при старении клетки — могут быть ключом к пониманию целого ряда болезней старости, говорят исследователи.
«Раньше все думали, что вакуоли — это терминальный компартмент, где всё расщепляется, — объясняет Патрисия Кейн, биохимик из Медицинской школы Университета Апстейт Нью-Йорка, которая изучает вакуолярную АТФазу (аденозинтрифосфатазу — прим. перев.), фермент, который закачивает протоны в вакуоль. Сейчас мы понимаем, что вакуоли — не просто терминальный компартмент для переработки мусора, но также склад питательных веществ, которые клетки получают в случае необходимости, например в ходе роста и деления клетки.
И «pH — очень интригующая вещь, и долгое, долгое время ею пренебрегали», — добавляет Жорис Виндеркикс из Лёвенского католического университета в Бельгии, изучающий приём и отправление сигналов о питательных веществах в дрожжах. «Сложность там была "как измерить pH в органелле?". Теперь у нас есть инструменты, позволяющие это сделать», — говорит он, ссылаясь на разработанную коллективом Calico Labs молекулу, уровень светимости которой соответствует кислотности дрожжевой вакуоли. Это позволило исследователям обнаружить и проследить изменения в pH в вакуоли в режиме реального времени.
Около десяти лет тому назад Дэн Готтшлинг и Адам Хьюз, оба работающие в Центре исследования рака Фреда Хатчинсона, обнаружили, что вакуоли стареющих дрожжевых клеток постепенно теряют свою способность поддерживать низкий pH. Хьюз и Готтшлинг увидели, что такая утрата кислотности в вакуолях приводит к потере функции митохондрий и их старению (обычно продролжительность жизни дрожжевых клеток составляет 30 делений клетки). Предотвращение утраты вакуолярной кислотности снижало митохондриальную дисфункцию и продлевало клеткам дрожжей жизнь.
Исследователи обнаружили, что утрата вакуолярной кислотности означает, что транспортёры аминокислот на мембране вакуоли не справляются со своей работой. Это приводит к неконтролируемому высвобождению аминокислот в цитозоле, что отравляет митохондрии. Переизбыток аминокислоты цистеина «портит» образование железосерных кластеров, жизненно необходимых митохондриям. (Митохондриям требуется железо, чтобы собрать переносящую энергию молекулу аденозинтрифосфта, или АТФ). При отсутствии железосерных кластеров функционирование митохондрий серьёзным образом нарушается: митохондрии начинают производить большое количество активных форм кислорода, что приводит к старению и нарушению восстановительной функции ДНК.
«Очевидно, что клетки не просто используют вакуоли в качестве склада для хранения», — говорит Адам Хьюз, который в данный момент руководит группой исследователей в Университете Юты. — Вакуоли не только доставляют аминокислоты по мере необходимости. Настолько же важно то, что вакуоли изолируют аминокислоты когда необходимости в них не существует, чтобы те не натворили бед».
Готтшлинг, сейчас являющийся заслуженным главным исследователем в Calico Labs, руководит группой, которая обнаружила, что вакуоли в дрожжевых клетках не только теряют кислотность с течением времени, когда клетки стареют, но также показывают на удивление динамичные колебания pH при каждом делении клетки. Изменяющийся pH координирует высвобождение аминокислот с различными метаболическими нуждами на разных фазах клеточного цикла. Исследователи впервые разработали чувствительный химический сенсор, позволяющий визуализировать эти колебания внутри вакуолей в ходе деления клетки.
Исследователи наблюдали, что pH вакуоли находится на низком уровне (очень кислотный), когда новая почка клетки только появляется, а затем повышается — становится более щелочной — непосредственно перед отделением дочерней клетки от материнской. Таким образом вакуоль может точно контролировать количество высвобождаемых аминокислот в течение всего клеточного цикла и может обеспечить дочернюю клетку питательными веществами непосредственно перед её отпочкованием.
«В ходе деления клеткам нужны мощные вбросы питательных веществ», — объясняет Готтшлинг. — Но когда деления не происходит, клетке необходимо, чтобы аминокислоты были безопасно изолированы, чтобы избежать повреждения митохондрий».
Чтобы испытать как контролируются колебания pH, исследователи попробовали манипулировать ими различными способами. Например, они обнаружили, что когда дрожжевые клетки вырастали в отсутствие аминокислот, колебания pH прекращались. Они восстанавливались, когда исследователи снова добавляли аминокислоты в питательную среду. Подобным образом, препарат, ингибирующий сигнал TOR (target of rapamycin) — один из основных клеточных путей метаболизма — устранял колебания pH. Затем исследователи обнаружили, что у мутантов дрожжей без колебаний pH клетки повышали выработку ферментов, участвующий в биосинтезе аминокислот. Это предполагает, что клетки ощущали аминокислотный голод. Но учитывая, что они не могли высвободить изолированные в вакуоли аминокислоты, их единственной альтернативной было строить аминокислоты с нуля.
Хотя эти колебания pH представляют собой замечательный механизм, с помощью которого клетки координируют доступность питательных веществ с клеточным циклом, остаётся много открытых вопросов. Например, точно неизвестно, каким образом регулируются эти колебания pH, а также не полностью известно почему эти клетки утрачивают способность контролировать колебания pH в вакуоли по мере старения. Разобравшись с тем, как этот процесс устроен, можно дать ориентиры для того, как вмешаться в каскад негативных воздействий на функционирование митохондрий и восстановительную функцию ДНК и предотвратить его.
«Мы видим, что этот процесс можно разложить, и одно из того, что мы хотим выяснить, — каким образом?» — говорит Готттшлинг. «Вот почему нам очень интересно какой сигнал принимается [чтобы вызвать эти колебания] и затем — как разложить этот сигнал на составляющие?»
«Хотя вопросы остаются, несомненно, что эти колебания — и их утрата с возрастом — являются ключом к пониманию разнообразных болезней старения, — говорит Виндеркикс, который использует дрожжи в качестве модели для изучения болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и рака. Существует ряд механизмов, когда потеря кислотности может вызвать болезнь. Во-первых, утрата кислотности мешает клетке очиститься от старых или дефективных белков, и их накопление может приводить к образованию белковых бляшек, характерных для болезни Альцгеймера. Кроме того, утрата кислотности и одновременное высвобождение аминокислот, отравляющих митохондрии, являются причиной дефектов митохондриального обмена веществ. Выработка слишком большого количества активных форм кислорода может повредить ДНК и вызвать мутации, из-за которых количество дефектов в клетке растёт как снежный ком.
Виндеркикс подозревает, что вероятно эти колебания не ограничены вакуолью, поскольку эта органелла тесно взаимодействует с митохондриями и сетью мембран, именуемых эндоплазматическим ретикулумом. С помощью этого процесса различные типы органелл общаются и обмениваются питательными веществами. Было бы удивительно, если бы уровень pH других клеточных органелл не синхронизировался с pH в вакуолях. Это имело бы целый ряд влияний на функционирование клетки. У каждого клеточного фермента узкий диапазон pH, в котором они функционируют оптимально, поэтому колебания pH приведут к изменению активности ферментов в других клеточных компартментах, иногда весьма существенно. «Множество заболеваний возникает из-за неправильно функционирующей органеллы, но такая неправильная работа во многих случаях может быть связана с pH», — говорит Виндеркикс.
Автор — Кэллиер (Viviane Callier) — независимый научный журналист, проживающая в Норт Бетесда, штат Мэриленд.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно:
