Текст уведомления здесь

Клеточные трагедии

Часть III: шок!

Внутренняя жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей, опасностей и, как и всякая жизнь, рано или поздно заканчивается. Полина Лосева разбирается в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами. Этой темой станет клеточный шок, который лишь отдаленно напоминает шок человеческий, но приносит гораздо больше вреда.
Добавить в закладки
Комментарии

«Клеточные трагедии» — это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. Почитайте и другие тексты о нелёгкой жизни клеток: в них рассказывается о самоубийствах, стрессе, муках самоопределения, старости, второй молодости и бессмертии.

© Ольга Степанюк

© Ольга Степанюк

Что объединяет паркинсонизм, прионные болезни, врожденную ломкость костей и старение? Молекулярная изнанка. В основе всех этих состояний лежит знакомая большинству девушек проблема — неправильная укладка. Только в данном случае речь идет о внутриклеточных белках.

Роковые кудри

Заветная мечта каждой леди состоит в том, чтобы волосы лежали сами по себе и ей не приходилось тратить бесценные утренние часы на укрощение строптивых. В этом смысле клеткам повезло больше: в последовательности любого белка запрограммировано самостоятельное свертывание в окончательную структуру. Обычно это происходит при синтезе белка на рибосоме: белковая нить постепенно выдавливается наружу, как паста из тюбика, и сразу же начинается скручиваться. Это происходит за счет электромагнитного взаимодействия: положительно и отрицательно заряженные участки нити притягиваются, а также незаряженные (гидрофобные) области слипаются друг с другом. В результате такого скручивания белок приобретает определенную конформацию — структуру, необходимую для выполнения его функций.

Но представим себе, что что-то идет не так. Юная неопытная леди в попытках добиться идеальной завивки слишком долго держит волосы на плойке. Они перегреваются, и вместо долгожданных кудряшек получается солома, которая никакую форму уже не держит. Аналогичная ситуация в клетках носит название теплового шока. При нагревании белки теряют свою конформацию, так как молекулы воды в растворе начинают двигаться быстрее и разрушают связи между участками белковой нити. Если никак не восстановить структуру белков, то последствия для клетки окажутся плачевными. Сам по себе шок не является непосредственной причиной клеточной гибели — он оказывает на клетку парализующее действие. Подобно человеку, впавшему в ступор и утратившему контроль за происходящим, клетка перестает регулировать работу своих процессов жизнедеятельности. И как только тепловой шок коснется белков, участвующих в производстве энергии, клетка начнет погибать. В отсутствие энергии она не сможет регулировать транспорт через мембрану, вода начнет неконтролируемо поступать внутрь, а клеточное содержимое — выходить наружу.

После открытия теплового шока оказалось, что и другие стрессовые факторы, не только температура, могут привести к похожей ситуации. Среди них — окислительный стресс (накопление в клетке активных молекул со свободными радикалами), инфекция, отравление токсинами и тяжелыми металлами. Все они приводят к нарушению нормальной конформации белков. Поэтому сейчас чаще говорят о протеотоксическом шоке — состоянии, когда клеточные белки по той или иной причине свернуты неправильно. Протеотоксический шок может развиваться двумя путями. Первый мы уже описали выше: он связан с раскручиванием белков и влечет за собой гибель клетки. Второй — в некотором смысле более опасный — приводит к накоплению в клетке (и иногда, как следствие, между клетками) неправильно свернутых белков.

Представим себе, что при укладке волос наша леди неудачно потянула плойку, и накрученные пряди сцепились друг с другом. Вместо аккуратных отдельных кудрей возник бесформенный колтун. Если его не распутать, то он будет расти, цепляясь за новые и новые пряди. Ситуация может развиваться еще более плачевно, если волосы были предварительно намазаны какой-нибудь клейкой косметикой. У многих белков есть такая клейкая область — гидрофобные участки. Из-за отсутствия заряда к ним не притягивается вода, поэтому они активно слипаются друг с другом, вне зависимости от того, на одном белке находятся или на разных. Поэтому, если белки сворачиваются неправильно или разворачиваются, они могут склеиваться друг с другом. Кроме того, неверно скрученные белковые нити могут запутываться подобно волосам. В результате образуются белковые агрегаты.

Накопление белков в нервной ткани. Слева — синдром Крейцфельда-Якоба, бледные скопления в центре вызваны прионными белками. Справа — болезнь Паркинсона, темным окрашены скопления белков. Авторы: Jensflorian и CDC/Teresa Hammett Photo Credit: Sherif Zaki; MD; PhD; Wun-Ju Shieh; MD; PhD; MPH Wikimedia commons CC BY-SA 3.0 Public Health Image Library (PHIL) CC0
Накопление белков в нервной ткани. Слева — синдром Крейцфельда-Якоба, бледные скопления в центре вызваны прионными белками. Справа — болезнь Паркинсона, темным окрашены скопления белков. Авторы: Jensflorian и CDC/Teresa Hammett Photo Credit: Sherif Zaki; MD; PhD; Wun-Ju Shieh; MD; PhD; MPH Wikimedia commons CC BY-SA 3.0 Public Health Image Library (PHIL) CC0

Клетка, накапливающая белковые агрегаты, может умереть не сразу. Какое-то время они будут просто в ней копиться и усложнять ей жизнь. Серьезная угроза возникает, когда такой агрегат прилипает к мембране, потому что от этого она рвется. Клетка умирает, а белки выходят в межклеточное пространство и продолжают копиться там. Тогда начинаются проблемы уже на уровне ткани (нарушается доступ питательных веществ к клеткам), а потом и организма (клетки начинают массово гибнуть). Известно множество заболеваний, развивающихся по такому механизму. Среди них — следующие.

Несовершенный остеогенез, он же «болезнь хрустального человека». Связан с врожденным дефектом коллагена — белка, составляющего среди прочего основу внеклеточного вещества костей. Вместо того чтобы образовывать прочный каркас, коллаген накапливается в виде агрегатов, и прочность костей снижается.

Болезни Паркинсона и Альцгеймера. Несмотря на то что точные причины развития этих заболеваний до сих пор неизвестны, мы уже знаем, что они сопровождаются накоплением белковых агрегатов в нервной системе. Это вызывает гибель нейронов и, следовательно, нарушение двигательных и когнитивных функций.

Болезнь Гентингтона. Здесь механизм известен наверняка, известна и причина. В гене белка гентингтина есть повторы из трех нуклеотидов, которые при определенной мутации получают способность самокопироваться, таким образом удлиняя и ген, и белок. Начиная с некоторой длины нити, гентингтин перестает нормально сворачиваться и образует агрегаты, опять-таки необратимо повреждая нервную систему и другие органы и ткани.

Прионные болезни. Это группа заболеваний, вызванных попаданием в организм белков неправильной конформации. Встречаясь со здоровыми белками, прионы заставляют и их изменить конформацию, результатом чего является опять же накопление их в тканях.

Белки-хранители

Что делать, если каждая клетка наполнена роковыми кудряшками, которые в любой момент могут выйти из-под контроля? Завести другие, спасительные, белки. Оказывается, что если нагревать клетки любого эукариотического (содержащего ядра) организма, от дрожжей до человека, то в них повышается количество белков определенной группы. Их назвали белками теплового шока. И потом, естественно, оказалось, что они реагируют на любой протеотоксический шок, не обязательно вызванный температурой. Это целая группа с разнообразными функциями, но в целом они используют три стратегии борьбы с накоплением белков.

Во-первых, любая леди знает, что лучшее средство против колтунов — это расческа. Этот инструмент отделяет волосы друг от друга, предоставляя каждой пряди свою колею между зубьев. Аналогичным образом работают белки теплового шока из группы шаперонов. Это название отражает английское значение слова chaperone" — «наставник», «компаньон». Они представляют собой бочонки с гидрофобной полостью, внутрь которой может поместиться белок. Таким образом они ограничивают его от взаимодействия с другими белками (как компаньоны предотвращали излишние контакты своих подопечных, особенно юных леди, с окружающими) и предоставляют ему возможность скрутиться независимо от них.

Молекулярная модель комплекса шаперонов. В центре видна гидрофобная полость. Автор изображения: P99am Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Молекулярная модель комплекса шаперонов. В центре видна гидрофобная полость. Автор изображения: P99am Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Во-вторых, для случаев, с которыми не справляется расческа, есть ножницы. Можно попробовать отстричь отдельную прядь, чтобы распутались остальные. В клетке для уничтожения белков неправильной конформации служат протеасомы. Это крупные молекулярные комплексы, расщепляющие белки. Некоторые шапероны могут служить меткой того, что белок свернут неверно. Если белок связан с шапероном, то протеасома с большей вероятностью его уничтожит.

В-третьих, наконец, если не помогают маленькие ножницы, то можно взяться за машинку и сбрить все целиком. На уровне клетки это означает запуск аутофагии, то есть самопоедания (именно за детальное описание этого механизма, кстати, в прошлом году вручили Нобелевскую премию по физиологии и медицине). Белки теплового шока могут способствовать перевариванию отдельных частей клетки (например, белковых агрегатов) лизосомами — пузырьками с пищеварительными ферментами.

На самом деле этим функции белков теплового шока не ограничиваются. Время от времени ученые обнаруживают их связь с самыми разными процессами. Оказывается, они блокируют апоптоз, не давая клетке совершить самоубийство. Вдруг поломку еще удастся починить? Они участвуют в размножении, а мыши, лишенные их, бесплодны. Какую-то роль они играют и в росте зародышей. Поэтому здесь еще долго до окончательного прояснения ситуации. Загадочной остается и регуляция их работы в многоклеточных организмах. В то время как в клеточных культурах при действии стрессовых факторов их работа запускается автоматически, в организме, по-видимому, работает какой-то другой механизм. Например, у круглого червя С. Elegans есть специальные нейроны, посылающие сигнал о тепловом шоке. Но у человека все не так очевидно. По крайней мере, при болезнях Альцгеймера и Паркинсона белки теплового шока не начинают работать интенсивнее, несмотря на накопление белковых агрегатов. Ученым еще предстоит обнаружить сигнал, который мог бы стимулировать их работу.

Вакцина из расчески

Несмотря на все загадки, окружающие белки теплового шока, уже возникают предложения использовать их в медицине. Например, известно, что при старении организма количество шаперонов падает. Можно предположить, что, повышая их количество, можно замедлить изнашивание организма и сопутствующие ему болезни. Поэтому ученые предлагают принимать активаторы белков теплового шока, например целастрол, в качестве профилактики старения (хотя такая терапия пока еще нигде не проводится). Кроме того, уже удалось, повышая количество шаперонов, улучшить состояние крыс с болезнью Альцгеймера.

Также интересно посмотреть, что происходит с белками теплового шока в раковых клетках. В них, наоборот, их количество растет. Это связано с появлением мутантных белков и высоким уровнем окислительного стресса. Поэтому раковым клеткам нужны шапероны, чтобы правильно сворачивать белки и предотвращать апоптоз. В лабораторных условиях получилось даже убить раковые клетки человека, заблокировав там работу белков теплового шока.

Однако наибольший интерес сейчас вызывает другой вариант применения этих белков. Одна из проблем, возникающих при раке, заключается в том, что иммунная система «не видит» опухолевые клетки, то есть не реагирует на них, как на чужеродные. Чтобы «натравить» лимфоциты на клетки опухоли, нужно их познакомить с каким-нибудь мутантным опухолевым белком. И здесь очень кстати вспомнить о том, что мутантные белки в раковых клетках связаны с шаперонами. При этом оказывается, что связаны они довольно прочно. Поэтому можно взять биопсию опухоли, выделить оттуда шапероны, а вместе с ними получить и мутантные белки. Затем забрать у пациента некоторое количество лимфоцитов, вырастить их и добавить к культуре смесь белков с шаперонами. После этого, вернувшись в организм пациента, лимфоциты будут гораздо лучше представлять себе врага, с которым предстоит бороться. Официально эта процедура еще не одобрена, но количество клинических исследований такой вакцины измеряется десятками. Так что все, вероятно, еще впереди.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Шум и ярость

Что мы знаем о влиянии звуков на здоровье человека

От шумов не убежать, и считается, что это очень плохо. Мы жалуемся на бессонницу и неврозы, мечтаем о спокойном отдыхе где-нибудь на лоне природы и ищем жилье в «тихом, зеленом районе», но, возможно, этот ажиотаж несколько избыточен. Исследования показывают, что шумы часто помогают нам в жизни, а тишина загружает наш мозг сильнее самой сложной вычислительной задачи.
Добавить в закладки
Комментарии

Крики чайки, колокольный звон, шепот в темноте — все это только распространяющиеся в пространстве колебания давления воздуха. Сначала они возбуждают механические вибрации в барабанной перепонке, а потом эти сигналы бегут по длинной цепочке из маленьких косточек (молоточка, наковальни и стремечка) среднего и внутреннего уха, слухового нерва и, наконец, головного мозга, чтобы обернуться в нашем сознании звуками.

Это описание не выглядит опасным, но звуки могут стать орудием пыток, как это было в американской тюрьме Гуантанамо, где в камерах некоторых заключенных сутками напролет горел яркий свет и на полную мощность играли песни AC/DC, Metallica или Бритни Спирс. Все вместе это доводило людей до исступления и заставляло давать признательные показания — спокойно выдержать такие нечеловеческие шумы невозможно.

Все болезни от шума?

Строго определить слово «шум» в формулах и единицах измерения невозможно. Гул машин за окном, плач ребенка, гудение лампочки — эти звуки разыгрываются в нашей голове по той же физиологической схеме с перепонками и молоточками, как и щебет птиц, а громкость оперы измеряется в точно таких же децибелах, что и фортепианные уроки соседа сверху: каждые 10 децибел громкость звука становится в два раза больше. [ ... ]

Читать полностью

Правила камуфляжа

Биология и математика управляют окраской животных

Пятна жирафа, полоски зебры, узоры на крыльях бабочки — сколько детей мучали родителей вопросами, откуда берутся эти причудливые живые рисунки. Оказывается, у ученых уже есть ответы. Немного химии, немного математики и эволюционный отбор — природа разрисовывает свои создания по вполне определенным правилам.
Добавить в закладки
Комментарии

Зачем нужна необычная окраска?

У Редьярда Киплинга есть сказка о том, как леопард получил свои пятна: когда-то давно все животные на земле были окрашены исключительно равномерно, но потом травоядные ушли в леса, обзавелись полосками, пятнами, а также прочими маскирующими узорами, и хищникам пришлось приспосабливаться к новым условиям. Вскоре после этого сначала почернели люди (Киплинг пересказывает эфиопскую сказку), а потом из охотничьей солидарности они покрыли отпечатками своих рук леопардов, чтобы те снова могли незаметно подбираться к добыче.

Десятки схожих сюжетов о животных можно найти в самых разных уголках мира: даже Чарльз Дарвин считал, что основная функция необычной окраски многих животных — это маскировка, помогающая им либо сливаться с окружающей местностью, либо обманывать зрение хищников (или, наоборот, жертв) и расплываться в их глазах бессмысленными пятнами.

Для многих животных это верно, но не для всех. Например, в исследовании 2016 года канадские, американские и японские ученые показали, что черно-белые полоски зебр не очень хорошо подходят для их естественной среды обитания. Используя данные о зрении львов и пятнистых гиен — главных врагов зебр, исследователи показали, что на открытой местности хищники будут различать полосатых животных так же хорошо, как и своих однотонных родственников. Поэтому окраска зебр, по мнению ученых, не может объясняться классической «камуфляжной» версией. [ ... ]

Читать полностью

Свой среди чужих

Как роботы уживаются с пчелами, тараканами и рыбами

Роботов вокруг нас становится больше, и они все сложнее. Футурологи любят предупреждать, что скоро они могут лишить нас работы или стать доминирующей формой жизни на Земле. Пока этого еще не случилось, но мы можем посмотреть, как роботы внедряются в популяции тараканов, пчел и рыб и влияют на их решения.
Добавить в закладки
Комментарии

Австрийский этолог Карл фон Фриш всю жизнь наблюдал за пчелами. Вместе с учениками он выяснил, что пчелы-разведчицы умеют с помощью языка танца рассказывать своим сородичам о близлежащих источниках еды. Когда разведчица обследует окрестности вокруг улья и находит там подходящую пищу, например цветы сирени, она собирает с них образцы пахучих веществ и возвращается с этой добычей на базу. Там разведчица выделяет специфические феромоны, привлекающие внимание других пчел, и после этого исполняет перед собравшейся публикой причудливый танец.

Насекомое ползает по поверхности сот и выводит множество переплетенных «восьмерок». Параметры этого танца (его продолжительность, темп, характер виляний брюшком и т.д.) кодируют точное положение источника пищи. Кроме того, разведчица во время своих пируэтов периодически выпускает собранные образцы запахов, и постепенно другие пчелы понимают не только где, но и что именно им следует искать. Выглядит это так:

Эта схема подтверждалась и уточнялась десятками разных исследований, а в 1973-м Фриш даже получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, но для полной уверенности ученым нужны были все-таки не наблюдения, а контролируемый эксперимент, для которого и пригодились биоподобные роботы. [ ... ]

Читать полностью