Как клетки побеждают ишемию

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти во всем мире. При этом большинство смертей связаны с инсультами и ишемической болезнью сердца.

Группа исследователей из МГУ изучила ранний ответ клеток на ишемию — снижение кровоснабжения, приводящего к гибели клетки из-за недостатка кислорода и питательных веществ. Результаты опубликованы в научном журнале Genome Biology, импакт-фактор которого равен 10,5.

Авторы работы, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ Дмитрий Андреев и доктор химических наук, профессор Иван Шатский, рассказали о полученных результатах.

Исследование стало возможно благодаря развитию методов глубокого секвенирования (Next Generation sequencing) которое в произвело настоящий переворот в науках о жизни. В частности, учеными использовался метод рибосомного профайлинга. За синтез белка в клетке отвечают рибосомы — огромные макромолекулярные машины, способные считывать информацию, закодированную в матричных РНК, и по полученной инструкции синтезировать белки. В каждый момент времени в клетке тысячи рибосом синтезируют различные белки, причем именно те, которые необходимы клетке в данный момент. При изменении внешних условий, например при стрессовом воздействии на клетку, рибосомы способны быстро переключиться на другие матричные РНК и начать синтезировать белки, необходимые для адаптации клетки к стрессу. Благодаря рибосомному профайлингу можно получить “мгновенный снимок” всего белкового синтеза в клетке в заданный момент времени.

«Мы решили использовать данный метод для изучения изменений в экспрессии генов клеток млекопитающих при удалении кислорода и глюкозы», — рассказал Дмитрий Андреев, — «Данное воздействие является модельным для изучения ишемии — ведь при нарушении кровообращения клетки мгновенно лишаются и кислорода, и питательных веществ».

Длительное воздействие ишемии всегда приводит к необратимым повреждениям тканей в области поврежденного сосуда, и как следствие — к клеточной смерти. Однако в течение короткого времени после стресса клетки еще жизнеспособны, их еще можно спасти и избежать разрушительного воздействия ишемии. Именно поэтому понимание процессов, протекающих в клетке в первые часы, или даже минуты, после ишемии, может иметь очень важное фундаментальное и прикладное значение.

В ходе исследования ученые изучили ранний ответ на ишемию в течение первого часа после стресса. Оказалось, что уже через 20 минут после стресса начинаются значительные изменения в синтезе определенных белков, эти изменения в дальнейшем только нарастают. Больше всего изменений видно в синтезе белков, вовлеченных в дыхательную цепь митохондрий — по всей видимости, клетка пытается резко адаптироваться к новым условиям и переключиться на «альтернативные» источники энергии, чтобы избежать гибели.

Главной парадигмой регуляции дыхания в клетке является сигнальный путь транскрипционных факторов семейства HIF (Hypoxia Inducible Factor). Этот транскрипционный фактор активирует экспрессию ряда генов, отвечающих, например, за транспорт глюкозы, или за образование новых кровеносных сосудов. В нормальных условиях, когда кислорода в клетке достаточно, специальные ферменты пролил-гидроксилазы постоянно модифицируют регуляторную субьединицу HIF, отправляя ее на уничтожение — таким образом HIF остается выключенным. Как только уровень кислорода в клетке падает ниже порогового значения, пролил-гидроксилазы, которым для активности нужен кислород, выключаются, HIF стабилизируется и начинает работать.

Сигнальный путь HIF очень важен еще и потому, что его активность нужна для выживания множества раковых опухолей (многие опухолевые клетки из за дефектов в кровоснабжении сталкиваются с хронической нехваткой кислорода, и им для выживания приходится адаптироваться к условиям гипоксии). Поэтому HIF является очень перспективной мишенью для противораковой терапии. Чтобы оценить интерес научного сообщества к этому транскрипционному фактору, можно отметить тот факт, что с момента его открытия в 1995 году по данной тематике было выпущено более 12 тысяч научных публикаций (поиск по ключевому слову в базе данных PubMed).

Один из главных выводов работы состоит в том, что наблюдаемые изменения в процессах биосинтеза белка строго предшествуют ответу транскрипционных факторов HIF и не перекрываются с ним во времени. Более того, они могут напрямую влиять на сигнальный путь HIF. Так, один из наиболее ярких случаев — это усиление синтеза белка UBE2S, напрямую вовлеченного в процесс деградации HIF. Таким образом, в клетке существует более ранняя чем HIF система регуляции дыхания, про которую никто раньше не знал. До разработки метода рибосомного профайлинга просто не существовало подходов, которые могли бы достоверно детектировать такие ранние, предшествующие HIF, изменения в процессах биосинтеза белка.

«У нас есть множество планов, как развивать данную тематику, однако в данный момент мы не хотели бы ими делиться — в этой области исследований сейчас очень серьезная конкуренция, в том числе со стороны ученых из ведущих мировых исследовательских центров. Нужно отметить очень большой вклад всех членов коллектива в данную работу, мы надеемся на продолжение коллаборации с нашими коллегами», — резюмировал Дмитрий Андреев.