Теломераза — это фермент, который удлиняет концы хромосомы, позволяя клеткам обходить лимит на количество делений. Однако субъединицы теломеразы выполняют и другие специфические функции вне ядра клетки. Ученые из МФТИ с коллегами из ИБК РАН и ИБФМ РАН (Пущино) описали поведение одного из компонентов полимеразы — TERT — при окислительном стрессе. Оказалось, что этот белок транспортируется в митохондрии не из ядра, а синтезируется клеткой de novo.
Митохондрии / © Дмитрий Буркатовский и др., Scientific Reports
Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports. Митохондрии — органеллы (буквально «маленькие органы»), которые неутомимо работают в клетках человека, чтобы обеспечить дыхание и энергию для всех процессов метаболизма. За это их прозвали «клеточными электростанциями».
Работа митохондрий — это своего рода опасное производство, ведь они используют кислород и генерируют его активные формы (АФК). Такие частицы беспорядочно взаимодействуют с другими, повреждая разные компоненты клетки: портят мембраны, белковые молекулы и вызывают мутации. Результатом могут стать различные болезни и ускоренное старение.
В норме образование АФК сбалансировано работой антиоксидантных систем, которые их нейтрализуют. Однако равновесие может нарушиться, и тогда развивается окислительный стресс. Ему противостоят разные защитные механизмы: небольшие молекулы-антиоксиданты (например, витамины C и E) и специальные ферменты. В ответе на такой стресс участвует и TERT (по-английски Telomerase Reverse Transcriptase, то есть обратная транскриптаза теломеразы), — компонент комплекса теломеразы.
Главная его задача — защита кончиков хромосом (теломер) от «растрачивания» при делении клетки. Однако его субъединицы могут работать и по отдельности, вне ядра. Например, TERC (представляет из себя РНК) защищает T-лимфоциты от программируемой клеточной гибели, нейроны — от повреждения АФК, а также участвует в воспалении. Новая публикация посвящена белку TERT — каталитической субъединице теломеразы — которая, помимо удлинения хромосом, нужна для регуляции экспрессии генов, копирования РНК и имеет особое значение для митохондрий.
Биофизики использовали «бессмертные» клетки линии HeLa, которые исходно получили из опухоли матки и культивируют в лабораториях с середины XX века. Чтобы вызвать у клеток окислительный стресс, ученые добавили в среду культивирования перекись водорода H2O2 до высокой концентрации (500 ммоль). Ранее было показано, что при избытке АФК растет содержание TERT в митохондриях. Однако было непонятно, за счет какого механизма это происходит: транспорта белка в эти органеллы из ядра или его синтеза «на месте» в самих митохондриях.
Чтобы решить вопрос, авторы использовали технологию SNAP-tag: добавление к целевой молекуле небольшого белка-«переходника», к которому, в свою очередь, можно присоединять различные метки. В данном случае это флуоресцентные красители, которые помогли отследить локализацию TERT внутри клетки. Получившие огромную популярность флуоресцентные белки вроде GFP не подходят для исследования уже созревших белков — их структура не позволяет проникнуть внутрь этих органелл.
«Переносимые в митохондрии белки должны пройти через узкие мембранные поры шириной всего 20 ангстрем. Это может происходить либо путем “разворачивания” белка с помощью особых белков-помощников (шаперонов) и последующего повторного сворачивания (фолдинга) уже внутри. Или же за счет котрансляционного импорта, при котором белок синтезируется рибосомой, “сидящей” непосредственно на поре митохондриальной мембраны. Мы исследовали именно импорт (целенаправленный перенос) белка TERT. Необходимо было выяснить, как молекула попадает в митохондрии при воздействии окислительного стресса. В будущем это поможет понять, как клетка отвечает на такой стресс и какую роль в этом ответе играет TERT», — рассказал первый автор статьи Дмитрий Буркатовский из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Ученые провели серию экспериментов, используя два подхода. Вначале они однократно окрашивали TERT в клетках перед добавлением перекиси водорода. Затем использовали окрашивание разными красителями — как перед окислительным стрессом, так и после него — что позволило отследить локализацию TERT и его возможное перемещение. Обнаружить транспорт белка из ядра в митохондрии не удалось. Выходит, зрелый TERT, скорее, образуется внутри самих органелл, однако точный механизм предстоит выяснить.
