Краткое изложение исследований так называемых протеасом, проведенных на культурах клеток животных и тканях мозга, опубликовано в апрельском выпуске журнала Nature Structural & Molecular Biology.
Исследователи говорят, что эта работа может в конечном итоге открыть новые пути в исследованиях в области обучения, памяти и болезней мозга.
В 1980 году исследователи из Израиля и США открыли протеасомы и их роль в расщеплении белков — работа, которая принесла им Нобелевскую премию по химии в 2004 году. Считается, что протеасомы ограничены цитоплазмой или внутренней частью клеток за пределами ядра, и долгое время считались частью системы «удаления мусора» клеток, объясняет Капил В. Рамачандран, докторант кафедры биологической химии Медицинской школы Университета Джона Хопкинса.
«Когда нежелательные белки попадают в протеасомы, эти большие комплексы действуют как измельчитель бумаги. Они разрезают белки на мелкие кусочки », — объясняет он. Эти кусочки затем повторно используются для производства новых белков, добавляет Рамачандран. "По сути, это способ переработки белков в клетках."
Поскольку этот процесс занимает часы или дни, говорит Сет С. Марголис, к.D., доцент кафедры биологической химии и нейробиологии медицинского факультета Университета Джона Хопкинса, блокирование активности протеасом с помощью химических ингибиторов не должно влиять на краткосрочные клеточные функции.
Однако предыдущие исследования показали, что эти химические ингибиторы могут быстро влиять на передачу сигналов через нейроны в течение нескольких секунд.
Задаваясь вопросом, могут ли быть ошибочными некоторые традиционные предположения о протеасомах, Рамачандран и Марголис сначала попытались выяснить, могут ли протеасомы располагаться за пределами цитоплазмы. Используя метод иммуно-электронной микроскопии для исследования белков, меченных антителами в клетках, они искали протеасомы в культивируемых нейронах мыши.
К их удивлению, говорит Марголис, они обнаружили некоторые протеасомы, встроенные в клеточные мембраны, место, где, насколько им известно, эти белковые комплексы раньше не встречались.
Несколько других биохимических тестов, таких как фракционирование мембран — методика, в которой исследователи отделили мембрану от других частей клетки и посмотрели, какие компоненты присутствуют, — подтвердили эти выводы.
«Разбор всей системы позволил нам подтвердить, что это было то, что мы действительно наблюдали», — говорит Марголис.
Затем исследователи обратили свое внимание на выяснение того, что эти протеасомы делают в этом необычном месте.
Зная, что протеасомы обычно разрушают белки, исследователи применили радиоактивные аминокислоты — компоненты, из которых состоят белки, — к нейронам, чтобы пометить белки, вырабатываемые внутри нейронов.
Биохимические подходы показали, что эти аминокислоты включены во все белки. Вскоре после этого пептиды (небольшие единицы белков), несущие эти радиоактивные аминокислоты, были перекачаны за пределы клеток.
Когда исследователи обрабатывали нейроны химическим ингибитором, который блокировал только мембранную протеасому, они увидели, что этот ингибитор блокирует высвобождение пептидов за пределы клетки. Это свидетельствует о том, что мембраносвязанная протеасома разрушила меченые белки и вытеснила их наружу клетки.
Когда исследователи обрабатывали группы нейронов их химическим ингибитором нейрональных мембраносвязанных протеасом, они обнаружили, что передача сигналов кальция между этими клетками пошла наперекосяк. Марголис говорит, что поскольку передача сигналов кальция важна для межклеточной коммуникации, эти результаты позволяют предположить, что вытесненные пептиды могут быть важны для обмена сообщениями между клетками.
Конечно, отмечает он, когда он и Рамачандран обработали нейроны очищенными пептидами, выведенными из протеасом, клетки быстро начали передавать сигналы.
В совокупности, по словам исследователей, эти результаты предполагают, что нейрональная мембраносвязанная протеасома жизненно важна для передачи сигналов в клетке.
По словам Рамачандрана, их эксперименты поднимают множество новых вопросов о том, какие именно белки разлагает этот комплекс, какие соединения он выводит и что происходит, когда эта система выходит из строя. Он и Марголис, по его словам, уже обнаруживают связь между сбоями в этой системе и неврологическими заболеваниями, такими как нейродегенерация.
«Реально, чтобы понять различные аспекты этой недавно открытой протеасомы, может потребоваться целая жизнь», — говорит он.