Есть контакт! Как общаются между собой органеллы клетки

В 90-х годах ХХ века канадский клеточный биолог Джин Вэнс, отделяя митохондрии – энергетические центры клеток, обнаружила, что помимо них в образце ткани было что-то еще, чего точно не должно было там быть. После очистки образца она поняла, что к митохондриям прилипли маленькие кусочки эндоплазматического ретикулума (ЭПР) – крупной органеллы, роль которой состоит в транспортировке белков и липидов.

Органеллы – это постоянные компоненты клетки, выполняющие определенные функции. Если представить клетку как целостный организм, то ее органеллы будут в нем органами.

Изучая образец детальнее, Вэнс поняла, что кусочки ЭПР прилипли не просто так: они связаны между собой по какой-то причине. В более позднем исследовании было обнаружено, что места соединения митохондрий и ЭПР были точками синтеза липидов, своеобразными порталами для переноса образованных жиров. Это же открытие помогло понять, как именно митохондрии получают определенные липиды, а именно – посредством ЭПР.

И хотя первоначально многие биологи отнеслись к открытию Вэнс скептически, тем не менее, это изменило понимание ученых о том, как клетки функционируют между собой. Теперь исследователи признают, что органеллы постоянно взаимодействуют друг с другом – словно общаются. Выяснилось, что они неизменно образуют связи одна с другой с помощью специальных соединений. Это нужно для обмена липидами, ионами и пр. Если же повредить эти связи, то возникшая клеточная дисфункция может привести к различным болезням, включая рак, диабет, болезнь Альцгеймера и другие расстройства.

Первый контакт

Первые признаки контакта между органеллами, которые зарегистрировали ученые, появились примерно за 40 лет до открытия Д. Вэнс. Еще в 1950-х годах французские микробиологи сделали снимки митохондрий, имеющих тесные связи с ЭПР. Однако подобное рассматривалось скорее как исключение из правил, аномалия среди клеток. В это же время ученые научились точно определять белки, называемые тетрами, которые образуют точки контакта между органеллами.

В 2009 году команда ученых определила группу из четырех белков, образующих связи между ЭПР и митохондриями в клетках дрожжей. При удалении любого из этих белков вся тетра разваливалась, что приводило к дефектам в обмене жиров и замедлению роста клеток.

Связанные вместе

Помимо белков, связывающих воедино две разные органеллы, существуют также определенные белки-тросики, которые связывают и удерживают две органеллы вместе, но при этом удаление одного из них не приводит к разрушению всей структуры.

Скотт Эмр, биолог из Корнуэльского университета (Нью-Йорк) изучал места контакта между ЭПР и плазматической мембраной. Он обнаружил 6 связывающих компонентов, каждый из которых удерживал другой. Разрушить всю конструкцию можно было, только удалив все шесть белков сразу.

Также изначально думали, что все взаимодействия между органеллами клетки связаны с эндоплазматическим ретикулумом. Однако вскоре ученые поняли, что клетки вполне могут находить другие каналы и перенаправлять по ним транспортировку веществ, если обычным образом, через ЭПР это сделать невозможно. Оказалось, что липиды могут перемещаться не только через ЭПР, но и через вакуоль – органеллу, в которой хранятся различные питательные вещества.

Позднее были обнаружены еще более сложные механизмы связей – найдена зона суперконтакта, имеющая 2 тетры и 3 органеллы: ЭПР, митохондрию и плазматическую мембрану.

Функция соединения

Взаимодействие органелл обязательно должно иметь какие-то дополнительные функции. Так, выяснилось, что одной из функций была передача определенного вещества в виде груза: например, точки взаимодействия служат для передачи крупных органических молекул – холестерина, маслянистых восков и других молекул жиров, которые из-за своей структуры и большой молекулярной массы могли бы закупорить клетку.

Это также объяснило процесс разделения органелл с образованием эндосом, которые помогают сортировать и доставлять молекулярный груз.

Еще одна функция соединения органелл связана с лечением диабета ІІ типа. Белок, участвующий в секреции инсулина, связывает ЭПР и плазматическую мембрану в клетках поджелудочной железы крысы. Этот белок направляет прохождение ионов кальция и липидов между органеллами, запуская выброс инсулина, необходимый, чтобы поддерживать сахар в крови на нужном уровне.

Плохие танцоры

Ученые часто сравнивают коммуникацию между ЭПР и митохондриями с танцем фламенко. Как и танцоры, органеллы соединяются и разъединяются, затем снова соприкасаются и вновь разделяются. При этом одинаково плохо, если связь получается чрезмерной или недостаточной. Так, чрезмерная связь между ЭПР и митохондриями в клетках печени мыши связана с резистентностью к инсулину, диабету и ожирению. Получается, что такие отношения между митохондриями и ЭПР являются для клетки метаболическим стрессом.

Еще один контакт, связанный с болезнью Альцгеймера, напрямую связан с наличием белка бета-амилоида. Белок-предшественник бета-амилоида накапливается на поверхности ЭПР в пораженных клетках, затем соединяется с близлежащими митохондриями, что приводит к выбросу холестерина и формированию бляшек.  

Найденные связи могут быть полезными в том смысле, что помогут создать алгоритм поиска по анализу крови субклеточных признаков болезни Альцгеймера у здоровых людей.

Понимание способов коммуникации между органеллами стало настоящей революцией в клеточной биологии. Живая клетка устроена намного сложнее, чем кажется на первый взгляд, и каждая часть ее живет не изолированно, как было принято считать, а динамично связана с другими частями клетки.