Растения проводят большую часть жизни, добывая энергию через фотосинтез. Но в первые дни после того, как семя проклюнулось, света для этого ещё нет. В этот короткий и решающий период росток вынужден питаться запасами жирных кислот, которые хранились в семени. Чтобы расщепить эти жирные кислоты, клетки используют особые органеллы — пероксисомы. Такие же структуры есть и в клетках человека. Из-за того что растительные клетки крупные, учёные могут наблюдать за пероксисомами в обычный микроскоп. И недавно исследователи из Университета Райса выяснили, какой белок управляет размером этих органелл и не даёт им расти бесконтрольно.
Почему пероксисомы так важны для прорастающих семян
У модельного растения арабидопсиса пероксисомы в обычном состоянии имеют скромные размеры. Однако на стадии перехода от семени к сеянцу, когда растение живёт за счёт жиров, эти органеллы сильно разбухают. Как только сеянец начинает фотосинтезировать, пероксисомы снова уменьшаются. Такой цикл позволяет учёным изучать механизмы, регулирующие размер клеточных структур. Бонни Бартель, профессор биологических наук, отмечает:
У арабидопсиса пероксисомы настолько велики, что их внутренности можно разглядеть в световой микроскоп. А на этапе прорастания они становятся ещё крупнее, чтобы перерабатывать жирные кислоты, а потом возвращаются к норме.
Именно эта способность менять размер и привлекла внимание исследователей. Если понять, как клетка контролирует рост пероксисом, можно пролить свет на многие процессы — от развития растений до некоторых заболеваний человека.
Белок PEX11 и его неожиданная роль
Группа Бартель уже давно изучает белок PEX11. Раньше считалось, что его главная задача — помогать пероксисомам делиться. Но в новой работе, опубликованной в журнале Nature Communications, учёные обнаружили, что PEX11 выполняет ещё одну функцию. Этот белок регулирует расширение и сжатие органеллы на ранних стадиях развития растения. Без него пероксисомы просто не могут вернуться к обычному размеру после того, как закончился период использования жирных кислот.
Исследовать PEX11 оказалось непросто: у арабидопсиса этот белок кодируется сразу пятью генами. Если отключить один из них, ничего не меняется. А если убрать все пять — растение погибает. Чтобы обойти эту трудность, аспирант Натан Тарп применил современные технологии редактирования генома.
Как CRISPR помог разобраться в сложной задаче
Тарп использовал продвинутые методы CRISPR, чтобы выборочно отключать разные комбинации из пяти генов PEX11. Это позволило безопасно изучать роль белка, не убивая растение целиком. В результате выяснилось: PEX11 действительно отвечает за контроль роста пероксисомы на этапе «семя — сеянец». Вот что помогли понять эксперименты:
- При отключении некоторых комбинаций генов пероксисомы начинали расти, как обычно, но затем не останавливались;
- В некоторых случаях органеллы вытягивались от одного конца клетки до другого — такого в норме не бывает;
- У мутантных растений не образовывались мелкие пузырьки (везикулы), которые обычно появляются внутри пероксисомы при переработке жирных кислот.
Именно эти пузырьки, по мнению учёных, и помогают контролировать размер. Когда они формируются, они забирают с собой часть внешней мембраны пероксисомы. Если пузырьки не образуются, мембрана остаётся на месте, и органелла продолжает расти.
Что произошло, когда белок отключили
Тарп создал два типа мутантных растений, каждое с отсутствием определённого набора генов PEX11. В обоих случаях пероксисомы начинали увеличиваться, как и положено на стадии прорастания. Но потом они не сжимались обратно. Без везикул, уносящих кусочки мембраны, органеллы продолжали расти всё больше и больше. Учёные наблюдали настоящие «гигантские» пероксисомы, которые в несколько раз превышали обычные размеры. Это доказывает, что белок PEX11 необходим не только для деления, но и для сдерживания роста.
Интересно, что похожий механизм, вероятно, работает и у других организмов. Чтобы проверить это, Тарп ввёл в мутантные растительные клетки версию белка из дрожжей (Pex11). И вот что получилось:
- После добавления дрожжевого белка пероксисомы растений вернулись к нормальному размеру;
- Везикулы снова начали образовываться, и рост органелл остановился;
- Это говорит о том, что белок выполняет одну и ту же функцию у разных видов, несмотря на огромную эволюционную дистанцию.
Одинаковый механизм у растений, дрожжей и, возможно, человека
Результаты эксперимента с дрожжевым белком показали, что Pex11 — это очень консервативный белок. Он сохранился в ходе эволюции и выполняет схожую роль у совершенно разных организмов. Поскольку пероксисомы есть и в клетках человека, открытие может пригодиться в медицине. Нарушения в работе этих органелл связывают с некоторыми наследственными болезнями. Кроме того, пероксисомы используют в биоинженерии для производства ценных веществ. Понимание того, как контролировать их размер, открывает новые возможности.
Бонни Бартель подчёркивает: то, что белок выполняет одинаковую функцию у растений и дрожжей, позволяет предположить, что он действует так же и в клетках человека. Удобная модель арабидопсиса дала исследователям ключ к разгадке механизма, который может быть универсальным.
Пероксисомы мутантных растений перестали расти бесконтрольно, как только к ним вернули дрожжевую версию белка. Это подтверждает, что именно PEX11 (или Pex11 у других видов) отвечает за ограничение роста органеллы. Теперь учёные могут точнее настраивать размер пероксисом для биотехнологических задач и лучше понимать, что идёт не так при болезнях, связанных с этими структурами.
