Клеточная почта

Клетку нашего организма сравнивают с банком информации, непрерывно принимающим запросы, с фабрикой, которая производит огромный ассортимент трехмерных наноконструкций. У нее есть энергетические станции, средства для приема и передачи сигналов. Есть и транспорт, как местный, внутриклеточный, так и «зарубежный» — для взаимодействия с другими клетками.

Нобелевские лауреаты 2013 года раскрыли механизмы, без которых были бы невозможны практически все остальные функции клетки.

В неживой среде вещество транспортируется потоками или диффузией: сахар, брошенный в кружку с чаем, рано или поздно растворится, даже если его не размешивать. Диффузия подходит для переноса вещества внутри бактерии, но для наших, эукариотических (то есть имеющих ядро), клеток она совершенно неприемлема. Во-первых, клетки у нас сравнительно большие, во-вторых, каждая такая клетка — не просто мешочек с гелем.

Мембраны из липидов — жироподобных веществ — ограничивают внутри клетки замкнутые объемы, каждый со своей функцией. В ядре хранится наследственная информация в виде ДНК, там же отдельные «файлы»-гены, нужные в данный момент, копируются на временный носитель — РНК. Вокруг ядра — эндоплазматическая сеть, или ретикулум, где производятся белки и другие нужные вещества. Дальше одна к другой, как лепестки розы, прилегают плоские цистерны аппарата Гольджи: это склад или сортировочный пункт, где хранятся молекулы, прежде чем занять свое место в клетке, выделиться наружу или отправиться на утилизацию. Митохондрии — внутриклеточные генераторы, они производят из питательных веществ универсальные молекулы, богатые энергией, которые удобно использовать как топливо во всех процессах, что не идут сами по себе. А есть еще лизосомы — станции переработки отходов, в растительных клетках — хлоропласты, где происходит фотосинтез…

Но если мембрана не пропускает водорастворимые вещества, то каким образом они попадают, например, с «завода» на «склад»? И когда клетка производит сигнальное вещество — гормон или нейромедиатор, как оно выходит наружу?

Принципиальный ответ на этот вопрос дала электронная микроскопия. Вещества путешествуют по клетке в мембранных пузырьках. Такой пузырек отшнуровывается от одной мембраны, плывет к другой и сливается с ней — похожие явления все наблюдали в детстве, играя с мыльными пузырями. При этом его содержимое выплескивается в нужный отдел клетки, а если это была внешняя мембрана — выходит наружу. «Пузырек» на латыни — «везикула», отсюда «везикулярный транспорт».

Достижение нынешних лауреатов состоит в том, что они установили, почему мембранные контейнеры доставляются куда надо и точно в срок.

Любимый прием генетиков: чтобы понять, как работает нечто, найди, у кого оно сломано. Этим приемом воспользовался Рэнди Шекман еще в 70-е годы ХХ века. Он работал с лабораторными культурами обычных пекарских дрожжей и обнаружил мутантные клетки, у которых не функционировал пузырьковый транспорт. В норме дрожжи выделяют ферменты во внешнюю среду, а внутри «дефектных» клеток пузырьки с ферментами накапливались, как машины перед пунктом таможенного контроля. То ли документы у всех поголовно оформлены неправильно, то ли таможенник сошел с ума и никого не пропускает…

Шекман нашел у этих мутантов сначала два таких гена, позже оказалось, что их более двадцати. Некоторые из них вызывали особенно страшные «пробки». Оставалось узнать, какие белки считываются с этих генов и за что они отвечают.

Другой будущий лауреат, Джеймс Ротман, сразу заинтересовался именно белками. Он использовал препараты клеток млекопитающих, зараженных вирусом стоматита VSV. (Работы Ротмана датированы уже следующими десятилетиями, это 80-е и 90-е годы.) Вирусы эксплуатируют клеточные механизмы белкового синтеза, подсовывая им свой геном и заставляя синтезировать вирусные белки. Один из белков вирусного стоматита клетка затем выделяет во внешнюю среду — как раз с помощью мембранных пузырьков, и за его перемещениями удобно следить. Примерно так в наши дни, если положить в посылку мобильный телефон с GPS-позиционированием, можно узнать много интересного о работе почты.

Ротману удалось идентифицировать белки, вовлеченные в работу пузырькового транспорта. Выяснился интересный факт: некоторые из них очень похожи на дрожжевые белки — продукты генов, обнаруженных Шекманом. Ротман и Шекман клонировали один из этих генов и доказали сходство его продукта с белком млекопитающих (их совместная работа была опубликована в 1992 году). Это означало, что открыт эволюционно древний и очень важный механизм. Если белки похожи у дрожжей и позвоночных животных, значит, такие белки имелись у их общего предка.

Что же это за белки? Одни из них встроены в мембрану транспортного пузырька, это как бы наклейка с адресом на посылке или разрешение на вывоз в определенную страну. Другие сидят в мембране «пункта назначения». Те и другие белки устроены так, что вступают в тесное взаимодействие, как зубчики «молнии» или крючочки с петельками в застежке-липучке. В результате мембраны тесно сближаются, и происходит их слияние. Контейнер распакован там и только там, где нужно его содержимое.

Пузырьковый транспорт участвует в самом главном для нас явлении — передаче сигнала от одного нейрона (нервной клетки) к другому. Участок, где окончание передающего нейрона тесно контактирует с мембраной принимающего, называется синапсом, промежуток между мембранами — синаптической щелью. В эту щель пузырьки-везикулы первого нейрона выбрасывают специальные вещества — нейромедиаторы, или нейротрансмиттеры. Рецепторы на мембране второго нейрона взаимодействуют с ними, и это служит знаком — срочно разрядить собственную мембрану, передавать сигнал дальше. (Или, наоборот, ни в коем случае не разряжать мембрану, не реагировать на другие возбуждающие сигналы — медиаторы бывают и тормозными.)

Отсюда вопрос: как транспортная система передающего нейрона «узнает», что пора выбрасывать медиатор? Понятно, что делать это надо в строго определенное время, с точностью до долей миллисекунды. Ответ на вопрос нашел Томас Зюдоф. Важную роль здесь играют ионы кальция. Когда мембрана окончания передающего нейрона деполяризуется, в ней открываются каналы, пропускающие эти ионы. Особые чувствительные к кальцию белки передают команду пузырькам с нейромедиатором, которые накапливаются там заранее и ждут нужного момента — слиться с мембраной. Регулировщик посмотрел на «пробку» и взмахнул жезлом: поехали, теперь можно. Итак, открытие белков, отвечающих за регуляцию транспортных потоков во времени, — заслуга Зюдофа.

Практическое значение открытий лауреатов очевидно. Нарушения в механизмах клеточного транспорта ведут к болезням, а значит, понимание этих механизмов открывает путь к новым лекарствам. Примеры таких болезней — диабет второго типа, некоторые формы эпилепсии, ботулизм.

И разумеется, эти открытия имеют огромное фундаментальное значение. Мы живем и мыслим благодаря тому, что каждый миг в нашем теле отправляются в путь мириады маленьких пузырьков.