Клетка переживает стресс за счет частичного самоуничтожения

Биологи раскрыли механизмы, которые ведут к выбору между жизнью и смертью на уровне одной клетки. Теперь можно попробовать управлять судьбой клеток в организме, чтобы справиться с множеством болезней.

Когда клетке плохо, она ведет себя, на первый взгляд, парадоксально – пожирает сама себя изнутри. Но это лишь механизм выживания в стрессовой ситуации. При нехватке жизненных ресурсов или при повреждении биологических молекул у клетки два пути: она может покончить жизнь самоубийством или избавиться от поврежденных частей и выжить. Первый путь называется апоптозом – это программа на смерть, второй носит название аутофагия – и это программа на выживание. При аутофагии в клетке происходит деградация белков или целых органелл. То, что подлежит уничтожению, доставляется к внутриклеточным утилизаторам – лизосомам. Они окружают белки и фрагменты органелл мембраной и переваривают.

Ученым известно, что к аутофагии приводят различные химические или физические (например, ультрафиолет) вредные факторы или клеточное голодание.

В последнем случае клетка переходит на режим экономии, перераспределяет питательные вещества к более важным частям и избавляется от менее важных. Но как именно работает механизм этого процесса, исследователи пока не понимают. Поэтому поисками ответа занялась команда из Института изучения рака Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh Cancer Institute). Они нашли ключевой для аутофагии белок и распознали связанную с этим цепочку внутриклеточных взаимодействий.

Как белок спасает клетку

Оказалось, роль спускового крючка для запускания аутофагии играет HMGB1 -- ядерный белок, который в обычном состоянии работает на упаковке ДНК-хроматина. Он же при воспалительных и иных патологических процессах задействован в сигнальных путях апоптоза. Но самое непосредственное участие HMGB1 принимает в аутофагии. Правда, для этого ему нужно поменять дислокацию – переместиться из ядра в цитоплазму.

Ученые наблюдали за белком в культурах нескольких линий мышиных и человеческих клеток. Они обнаружили, что клеточное голодание, гипоксия, облучение ультрафиолетом приводят к выходу HMGB1 из ядра в цитоплазму. Вслед за этим начинается аутофагия, о чем можно судить по активизации ферментов лизосом. Для окончательного доказательства роли белка микробиологи получили культуру мышиных фибробластов с выключенным (нокаутированным) геном HMGB1. После обработки пероксидом водорода или после голодания такие клетки к аутофагии неспособны.

Бегство от стресса

Разные по природе неблагоприятные факторы приводят к одинаковым последствиям – окислительному стрессу. Усиленное образование свободных радикалов, повреждающих биологические молекулы -- это сигнал на аутофагию. Биологи убедились в этом, обработав клетки веществами, усиливающими окислительные процессы – белок HMGB1 переместился в цитоплазму, после чего клетка стала активнее переваривать свои поврежденные фрагменты.

Исследователям удалось разобраться в цепочке процессов, вызванных окислительным стрессом. Белок HMGB1 перемещается в цитоплазму в ответ на окисление аминокислоты цистеина в 106 положении (С106). В цитоплазме белок взаимодействует с комплексом двух других: Bcl-2–Beclin1. HMGB1 связывается с белком Bcl-2 и отрывает его от партнера, а происходит это благодаря внутримолекулярному дисульфидному мостику между цистеином в 23 и 45 положениях (С23 и С45). После этого Bcl-2 блокирует апоптоз, а Beclin1 запускает аутофагию.

Судьбой клеток можно будет управлять

Так ученые открыли у белка HMGB1 новую функцию, определив его как главный регулятор выживания клетки. Разобравшись с процессом, можно научиться манипулировать им в своих целях. Если механизм аутофагии работает плохо, это может привести к нейродегенеративным или инфекционным заболеваниям, так что для предотвращения данных болезней его следует усилить. У раковых клеток, напротив, белок HMGB1 гиперактивен, аутофагия работает слишком хорошо, что служит причиной их повышенной живучести. В этом случае ее следует ослабить и подтолкнуть клетки к самоубийству – апоптозу.

Статья о том, как и почему клетка ест сама себя, опубликована в журнале Journal of Cell Biology.