Многие микробы и клетки находятся в состоянии глубокого сна, ожидая подходящего момента для активации. Биологи обнаружили широко распространенный белок, который резко отключает активность клетки — и так же быстро её снова включает. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Когда ситуация становится сложной, многие микробы переходят в спящее состояние. Новое исследование выявило повсеместно распространенный белок, который мгновенно прекращает производство белка в клетке.
Введение
Недавно исследователи сообщили об открытии природного белка, названного Балоном, который может полностью остановить производство новых белков в клетке. Балон был обнаружен в бактериях, впадающих в спячку в арктической вечной мерзлоте, но, по-видимому, он также вырабатывается многими другими организмами и может представлять собой недооцененный механизм покоя в древе жизни.
Для большинства форм жизни способность к самоизоляции является жизненно важной составляющей выживания. Суровые условия, такие как нехватка пищи или холодная погода, могут возникнуть внезапно. В таких критических ситуациях, вместо того чтобы умереть, многие организмы освоили искусство спячки. Они замедляют свою активность и метаболизм. Затем, когда наступают лучшие времена, они оживают.
На самом деле, для большинства живых организмов на Земле пребывание в спящем состоянии является нормой: по некоторым оценкам, в любой момент времени в спячке находится 60% всех микробных клеток. Даже у организмов, чье тело не полностью переходит в спящее состояние, как у большинства млекопитающих, некоторые популяции клеток внутри них отдыхают и ждут подходящего момента для активации.
«Мы живем на спящей планете, — сказал Сергей Мельников, эволюционный молекулярный биолог из Ньюкаслского университета. — Жизнь в основном состоит из сна».
Но как клеткам удаётся совершить этот подвиг? За прошедшие годы исследователи обнаружили ряд «факторов гибернации» — белков, которые клетки используют для введения и поддержания состояния покоя. Когда клетка обнаруживает какие-либо неблагоприятные условия, такие как голодание или холод, она вырабатывает набор факторов гибернации, чтобы остановить свой метаболизм.
Некоторые факторы гибернации разрушают клеточный механизм; другие препятствуют экспрессии генов. Однако наиболее важные из них отключают рибосому — клеточный механизм для синтеза новых белков. На производство белков приходится более 50% энергии, потребляемой растущей бактериальной клеткой. Эти факторы гибернации мешают работе рибосомы, препятствуя синтезу новых белков и, следовательно, экономии энергии для основных потребностей выживания.
Ранее в этом году исследователи опубликовали в журнале Nature статью об открытии нового фактора спячки, который они назвали Balon. Этот белок удивительно распространен: поиск его генной последовательности выявил его присутствие в 20% всех каталогизированных бактериальных геномов. И он работает таким образом, который молекулярные биологи никогда раньше не наблюдали.
Ранее все известные факторы гибернации, нарушающие работу рибосом, действовали пассивно: они ждали, пока рибосома завершит синтез белка, а затем предотвращали запуск новой рибосомы. Balon, однако, включает аварийный тормоз. Он внедряется в каждую рибосому в клетке, даже прерывая работу активных рибосом в процессе их работы. До Balon факторы гибернации наблюдались только в пустых рибосомах.
«Статья Балона поразительно подробна», — сказал эволюционный биолог Джей Леннон, изучающий микробную спячку в Университете Индианы и не принимавший участия в новом исследовании. «Она дополнит наше представление о том, как работает спячка».
Мельников и его аспирантка Карла Хелена-Буэно обнаружили Балон в Psychrobacter urativorans, холодоустойчивой бактерии, обитающей в мерзлых почвах и собранной в арктической вечной мерзлоте. (По словам Мельникова, эта бактерия была впервые обнаружена в упаковке замороженных колбас в 1970-х годах, а затем заново открыта известным геномистом Крейгом Вентером во время поездки в Арктику.) Они изучают P. urativorans и другие необычные микроорганизмы, чтобы охарактеризовать разнообразие инструментов построения белков, используемых в различных формах жизни, и понять, как рибосомы могут адаптироваться к экстремальным условиям.
Поскольку состояние покоя может быть вызвано различными условиями, включая голод и засуху, ученые проводят это исследование с практической целью: «Вероятно, мы сможем использовать эти знания для создания организмов, способных переносить более теплый климат, — сказал Мельников, — и, следовательно, противостоять изменению климата».
Представляем: Балон
Хелена-Буэно обнаружила Балон совершенно случайно. Она пыталась заставить P. urativorans нормально расти в лаборатории. Вместо этого она сделала наоборот. Она слишком долго держала культуру в ведре со льдом и умудрилась вызвать у нее холодовой шок. К тому времени, как она вспомнила о ее присутствии, холодоадаптированные бактерии уже перешли в спящее состояние.
Не желая выбрасывать культуру, исследователи всё же продолжили свои первоначальные исследования. Хелена-Буэно извлекла рибосомы бактерий, подвергнутых холодовому шоку, и подвергла их криоэлектронной микроскопии. Криоэлектронная микроскопия — это метод визуализации мельчайших биологических структур с высоким разрешением. Хелена-Буэно увидела белок, застрявший в А-сайте остановившейся рибосомы — «дверце», через которую аминокислоты доставляются для построения новых белков.
Хелена-Буэно и Мельников не узнали этот белок. Более того, он никогда раньше не был описан. Он имел сходство с другим бактериальным белком, важным для разборки и переработки рибосомных частей, называемым Pelota (от испанского «мяч»). Поэтому они назвали новый белок Balon (от другого испанского слова, обозначающего «мяч»).
Способность белка Balon останавливать активность рибосомы является критически важной адаптацией для микроба, находящегося в состоянии стресса, сказала Ми-Нган Фрэнсис Яп, микробиолог из Северо-Западного университета, которая не принимала участия в исследовании. «Когда бактерии активно растут, они производят много рибосом и РНК», — сказала она. «Когда они сталкиваются со стрессом, виду может потребоваться остановить трансляцию» РНК в новые белки, чтобы начать экономить энергию для потенциально длительного периода спячки.
Примечательно, что механизм действия Балона является обратимым процессом. В отличие от других факторов спячки, его можно ввести для замедления роста, а затем быстро вывести, как кассету. Это позволяет клетке быстро перейти в состояние покоя в экстренной ситуации и так же быстро восстановиться, чтобы адаптироваться к более благоприятным условиям.
Белок Balon способен на это, потому что он уникальным образом прикрепляется к рибосомам. Каждый ранее обнаруженный фактор гибернации рибосом физически блокирует А-сайт рибосомы, поэтому любой процесс синтеза белка должен быть завершен до того, как фактор сможет прикрепиться и выключить рибосому. Balon же, напротив, связывается вблизи канала, но не поперек него, что позволяет ему появляться и исчезать независимо от того, что делает рибосома.
Несмотря на механистическую новизну белка Balon, это чрезвычайно распространенный белок. После его идентификации Хелена-Буэно и Мельников обнаружили генетических родственников Balon более чем в 20% всех бактериальных геномов, каталогизированных в общедоступных базах данных. С помощью Марии Рыбак, молекулярного биолога из Медицинского отделения Техасского университета, они охарактеризовали два таких альтернативных бактериальных белка: один из человеческого патогена Mycobacterium tuberculosis, вызывающего туберкулез, и другой из Thermus thermophilus, обитающего в самом неподходящем для P. urativorans месте — в сверхгорячих подводных термальных источниках. Оба белка также связываются с А-сайтом рибосомы, что предполагает, что по крайней мере некоторые из этих генетических родственников действуют аналогично Balon в других видах бактерий.
Белок Balon примечательно отсутствует у Escherichia coli и Staphylococcus aureus, двух наиболее часто изучаемых бактерий и наиболее широко используемых моделей клеточной спячки. По словам Хелены-Буэно, сосредоточившись всего на нескольких лабораторных организмах, ученые упустили из виду широко распространенный способ впадения в спячку. «Я попыталась изучить малоизученный уголок природы и случайно кое-что обнаружила».
Все впадают в спячку
Каждой клетке необходима способность переходить в спящее состояние и ждать подходящего момента. По словам Мельникова, лабораторная модельная бактерия E. coli имеет пять различных режимов спячки, каждый из которых сам по себе достаточен для того, чтобы микроб смог пережить кризис.
«Большинство микробов голодают», — сказала Эшли Шейд, микробиолог из Университета Лиона, не принимавшая участия в новом исследовании. «Они существуют в состоянии нехватки ресурсов. Их численность не увеличивается вдвое. Они живут не в полную силу».
Но состояние покоя необходимо и вне периодов голодания. Даже у организмов, таких как большинство млекопитающих, чье тело не переходит в полную спячку, отдельные клеточные популяции должны дождаться подходящего момента для активации. Ооциты человека находятся в состоянии покоя десятилетиями, ожидая оплодотворения. Стволовые клетки человека рождаются в костном мозге, а затем переходят в состояние покоя, ожидая, пока организм подаст им сигнал к росту и дифференцировке. Фибробласты в нервной ткани, лимфоциты иммунной системы и гепатоциты в печени переходят в спящие, неактивные, неделящиеся фазы и активируются позже.
«Это не уникальная особенность бактерий или архей, — сказал Леннон. — Каждый организм в древе жизни имеет свой способ реализовать эту стратегию. Они могут приостанавливать свой метаболизм».
Медведи впадают в спячку. Вирусы герпеса лизогенизируются. Черви переходят в состояние покоя (дауэр). Насекомые впадают в диапаузу. Земноводные впадают в летнюю спячку. Птицы впадают в оцепенение. Все это — слова, обозначающие одно и то же: состояние покоя, в которое организмы могут вернуться при благоприятных условиях.
«До изобретения спячки единственным способом жить было продолжать расти без перерывов, — сказал Мельников. — Поставить жизнь на паузу — это роскошь».
Это также своего рода страховка на уровне популяции. Некоторые клетки переходят в состояние покоя, обнаруживая изменения в окружающей среде и реагируя соответствующим образом. Однако многие бактерии используют стохастическую стратегию. «В условиях случайных колебаний, если вы иногда не переходите в состояние покоя, есть вероятность, что вся популяция вымрет» из-за случайных столкновений с катастрофой, — сказал Леннон. Даже в самых здоровых, счастливых и быстрорастущих культурах кишечной палочки от 5% до 10% клеток все же будут находиться в состоянии покоя. Это те самые «выжившие», которые выживут, если что-то случится с их более активными и уязвимыми собратьями.
В этом смысле спячка — это стратегия выживания в условиях глобальных катастроф. Именно поэтому Хелена-Буэно изучает спячку. Ее интересует, какие виды могут оставаться стабильными, несмотря на изменение климата, какие могут восстановиться и какие клеточные процессы, такие как спячка с помощью белка Balon, могут в этом помочь.
В более фундаментальном плане Мельников и Хелена-Буэно надеются, что открытие Балона и его повсеместное распространение помогут людям переосмыслить то, что важно в жизни. Все мы часто впадаем в спячку, и многим из нас это даже нравится. «Мы проводим треть своей жизни во сне, но совсем об этом не говорим», — сказал Мельников. Вместо того чтобы жаловаться на то, чего нам не хватает во сне, возможно, мы сможем воспринимать его как процесс, связывающий нас со всей жизнью на Земле, включая микробы, спящие глубоко в арктической вечной мерзлоте.
Источник: www.quantamagazine.org
