Исследователи из Пенсильванского университета обнаружили взаимосвязь, которая управляет этим процессом, известным как эндоцитоз.Их новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что порог, при котором белки преуспевают в создании пузырьков, зависит как от количества белков, изгибающих мембрану, так и от натяжения самой мембраны.
По мере уменьшения напряжения на мембране для достижения этой критической массы требуется меньше белков.Вычисление того, где находится этот порог в данной клетке, было бы полезно для понимания многих биологических процессов. Многие заболевания нарушают нормальный эндоцитоз, поэтому изменение этого порога может стать основой для будущего лечения.
Эта взаимосвязь между активностью белка и натяжением мембран может также помочь объяснить недавно открытый путь «сверхбыстрого эндоцитоза», при котором клетки иногда способны образовывать пузырьки за несколько миллисекунд, в тысячи раз быстрее, чем обычно.Исследование проводил Тобиас Баумгарт, доцент кафедры химии Школы искусств Пенсильвании.
Наук, и Чжэн Ши, аспирант лаборатории Баумгарта.Биохимики определили класс белков, которые способствуют эндоцитозу, натягивая клеточную мембрану.
Однако, какую именно роль играет каждый из членов этого класса белков и сколько необходимо для образования пузырьков, остается неясным. Методы микроскопии, позволяющие ответить на такие вопросы, исключают возможность наблюдения за эндоцитозом в действии.
«Существуют мощные методы, которые позволяют ученым ясно видеть, как белки изменяют форму мембраны на молекулярном уровне», — сказал Ши. «Однако при использовании этих методов сложнее посмотреть, как этот процесс меняется со временем, потому что образцы обычно необходимо переводить в твердое состояние, например, путем их замораживания. По той же причине это также практически невозможно с этими методами. чтобы точно контролировать, насколько напряжены мембраны ".«Наш подход, — сказал Баумгарт, — основан на методике, разработанной в нашей лаборатории, которую можно использовать для контроля натяжения мембраны и наблюдения за процессом связывания белков с мембраной в реальном времени».Чтобы обойти ограничения в том, что они могли видеть в свои микроскопы, исследователи разработали метод вывода необходимой информации из модельной системы.Они создали автономные клеточные мембраны, флуоресцентно помеченные и частично всасываемые в пипетку.
Стандартизованное количество всасывания втягивало небольшое количество мембраны в пипетку, образуя «нос» на ячейке модели сферической формы.Исследователи подвергли модельную клетку воздействию изгибающих мембран белков, флуоресцентно помеченных другим цветом.
Они прикрепились к внешней части модельной клетки и начали процесс эндоцитоза сразу в нескольких местах.«С точки зрения белков, — сказал Баумгарт, — не имеет значения, что они находятся за пределами модельной ячейки.
Это фактически плоская поверхность для них, точно так же, как Земля кажется плоской с нашей точки зрения».Поскольку белки коллективно потянули за часть мембраны модели клетки, которая находилась за пределами пипетки, они смогли вытащить часть мембраны, которая была захвачена внутри. Это сократило длину оставшегося там «носа».
Измеряя это изменение, исследователи смогли сделать вывод о точке, в которой начал происходить эндоцитоз на мембране модельной клетки. Затем они могли рассчитать общее количество белка, задействованного в этот момент, на что указывает интенсивность их флуоресцентных маркеров.
Изменение силы всасывающего давления на пипетку также изменило общее натяжение мембран модельных клеток, что позволило исследователям непосредственно наблюдать роль натяжения в отношении количества действующих белков, изгибающих мембрану.Взаимодействие между этими двумя факторами означает, что порог, при котором начинается эндоцитоз, может быть снижен не только за счет использования большего количества белков, но также за счет уменьшения общего натяжения в мембране. Хотя было невозможно изучить весь механизм в модельных клетках, последний метод мог бы объяснить скорость, с которой начинается сверхбыстрый эндоцитоз в живых клетках.
«Это все равно, что послать другу сообщение, позвонив ему, а не подойдя», — сказал Баумгарт, — «сигнал напряжения буквально распространяется в виде волны через клеточную мембрану, что намного быстрее, чем производство большего количества белков и необходимость их физического доступа. место, где формируется везикула ».Хотя в их эксперименте использовался только один тип белка, изгибающего мембрану, будущие исследования с использованием этой техники позволят исследователям напрямую исследовать роль, которую другие представители этого класса играют в эндоцитозе.