Клетки постоянно перемещаются в динамичной среде, сталкиваясь с постоянно меняющимися условиями и проблемами. Но как клетки быстро адаптируются к этим колебаниям окружающей среды?
Новое исследование онкологического центра Моффитта, опубликованное в журнале iScience, отвечает на этот вопрос, бросая вызов нашему пониманию того, как функционируют клетки. Группа исследователей предполагает, что клетки обладают ранее неизвестной системой обработки информации, которая позволяет им принимать быстрые решения независимо от их генов.
На протяжении десятилетий ученые рассматривали ДНК как единственный источник клеточной информации. Эта схема ДНК инструктирует клетки о том, как создавать белки и выполнять важные функции. Однако новое исследование в Моффитте под руководством Дипеша Нираулы, доктора философии, и Роберта Гейтенби, доктора медицинских наук, обнаружило негеномную информационную систему, которая работает параллельно с ДНК, позволяя клеткам собирать информацию из окружающей среды и быстро реагировать на изменения.
Исследование было сосредоточено на роли ионных градиентов через клеточную мембрану. Эти градиенты, поддерживаемые специализированными насосами, требуют больших затрат энергии для генерации различных трансмембранных электрических потенциалов. Исследователи предположили, что градиенты представляют собой огромный резервуар информации, который позволяет клеткам постоянно контролировать окружающую среду.
Когда информация поступает в какой-то момент клеточной мембраны, она взаимодействует со специализированными воротами в ион-специфичных каналах, которые затем открываются, позволяя этим ионам течь по ранее существовавшим градиентам, образуя канал связи. Потоки ионов запускают каскад событий вблизи мембраны, позволяя клетке анализировать информацию и быстро реагировать на нее. Когда потоки ионов велики или продолжительны, они могут вызвать самосборку микротрубочек и микрофиламентов цитоскелета.
Обычно сеть цитоскелета обеспечивает механическую поддержку клетки и отвечает за ее форму и движение. Однако исследователи отметили, что белки цитоскелета также являются отличными проводниками ионов. Это позволяет цитоскелету действовать как высокодинамичная внутриклеточная сеть проводов для передачи ионной информации от мембраны к внутриклеточным органеллам, включая митохондрии, эндоплазматический ретикулум и ядро. Исследователи предположили, что эта система, которая позволяет быстро и локально реагировать на конкретные сигналы, может также генерировать скоординированные региональные или глобальные реакции на более крупные изменения окружающей среды.
«Наше исследование показывает способность клеток использовать трансмембранные ионные градиенты в качестве средства связи, что позволяет им быстро ощущать и реагировать на изменения в окружающей среде», — сказал Нираула, научный сотрудник Департамента машинного обучения. «Эта сложная сеть позволяет клеткам принимать быстрые и обоснованные решения, имеющие решающее значение для их выживания и функционирования».
Исследователи полагают, что эта негеномная информационная система имеет решающее значение для формирования и поддержания нормальной многоклеточной ткани, и предполагают, что хорошо описанные потоки ионов в нейронах представляют собой специализированный пример этой широкой информационной сети.
Нарушение этой динамики также может быть критическим компонентом развития рака. Команда продемонстрировала, что их модель согласуется с многочисленными экспериментальными наблюдениями, и выделила несколько проверяемых предсказаний, вытекающих из их модели, что, мы надеемся, проложит путь для будущих экспериментов, которые подтвердят их теорию и прольют свет на тонкости принятия клеточных решений.
«Это исследование бросает вызов неявному предположению биологии о том, что геном является единственным источником информации, а ядро действует как своего рода центральный процессор. Мы представляем совершенно новую сеть информации, которая обеспечивает быструю адаптацию и сложную связь, необходимую для выживания клеток, и, вероятно, глубоко вовлечен в межклеточную передачу сигналов, которая обеспечивает функционирование многоклеточных организмов», — сказал Гейтенби, содиректор Центра передового опыта эволюционной терапии в Моффитте.
