Когда семя только проросло, у него ещё нет ни зелёных листьев, ни способности ловить солнечный свет. Единственный источник энергии — запасённые жирные кислоты. И перерабатывают их крошечные органеллы, которые есть и в человеческих клетках, — пероксисомы. У модельного растения Arabidopsis thaliana эти тельца настолько велики (до нескольких микрометров), что их можно разглядеть в обычный световой микроскоп. Именно на этой «прозрачной» модели группа из Университета Райс выяснила, как клетка управляет размером пероксисом в первые дни жизни ростка.
Питание без фотосинтеза: почему это важно?
Переход от семени к сеянцу — критический момент. Пока проросток не распустит первые листья и не запустит фотосинтез, он живёт за счёт жиров, которые маточное растение упаковало в семядоли. Чтобы превратить жирные кислоты в энергию, клетка направляет их в пероксисомы — мембранные «реакторы». Там происходит бета-окисление, дающее топливо для роста. Как только растение начинает фотосинтезировать, необходимость в жирных кислотах отпадает, и пероксисомы уменьшаются до обычного размера.
Но как органелла «знает», когда пора сжиматься? Оказалось, ключевую роль играет белок, который учёные знали давно, но не могли полностью понять.
Пять генов, один белок и CRISPR
Белок PEX11 известен тем, что помогает пероксисомам делиться. Но, как часто бывает в биологии, простой ответ не всегда верен. PEX11 кодируется не одним, а целыми пятью разными генами. «Классический подход — сломать ген и посмотреть, что произойдёт — здесь не работал, — объясняет первый автор статьи Натан Тарп. — Если выбить один из пяти, ничего не меняется. Если выбить все пять — растение погибает». Требовалась ювелирная работа: ломать конкретные комбинации, не затрагивая остальные. Это стало возможным только с помощью технологии CRISPR, которая позволила создать два мутантных штамма с разными наборами выключенных генов PEX11.
Работа опубликована в журнале Nature Communications. Именно CRISPR дал возможность увидеть то, что раньше было скрыто.
Органеллы-гиганты и исчезнувшие пузырьки
У обоих мутантов пероксисомы вели себя странно. На стадии проростка они росли, как и положено, но потом не уменьшались. Некоторые вытягивались настолько, что касались противоположных стенок клетки. «Мы видели пероксисомы — монстры, в несколько раз больше нормальных», — рассказывает Тарп. При этом внутри них не формировались крошечные мембранные пузырьки — везикулы, которые обычно отшнуровываются от внешней мембраны органеллы в процессе переработки жирных кислот.
Именно эти везикулы, по-видимому, служат «тормозом» роста: они уносят с собой кусочек мембраны, не давая пероксисоме раздуваться бесконечно. У мутантов везикулы либо не образовывались, либо были аномально мелкими и редкими. Без этого механизма органелла «не знает», когда остановиться.
«Везикулы, забирающие кусочки мембраны, могут быть тем самым способом, которым клетка контролирует размер пероксисомы. В наших мутантах эти пузырьки не формировались — и мы увидели гигантские пероксисомы».
Эксперимент с «пересадкой» из дрожжей: что он доказал?
Чтобы проверить, насколько универсален механизм, Тарп решил «починить» сломанные растительные пероксисомы с помощью белка из другого организма — пекарских дрожжей. У дрожжей этот белок называется Pex11 (с маленькой буквы). Учёный ввёл дрожжевую версию в мутантные клетки Arabidopsis. И пероксисомы вернулись к нормальному размеру: везикулы снова стали формироваться, гигантизм исчез.
Это поразительный результат. Растения и дрожжи разошлись в эволюции более миллиарда лет назад. Если механизм работы PEX11/Pex11 сохранился в таких разных ветвях жизни, значит, он фундаментален. «Скорее всего, он консервативен и для человеческих клеток, и для клеток, используемых в биоинженерии», — добавляет руководитель группы Бонни Бартель.
Почему это важно за пределами ботаники?
Пероксисомы замешаны в нескольких тяжёлых наследственных заболеваниях человека — например, в синдроме Зелльвегера, при котором нарушается сборка этих органелл. Кроме того, пероксисомы используют в биотехнологиях для синтеза ценных веществ. Понять, как регулируются их размер и форма, — значит получить инструмент для управления этими процессами. Если дрожжевой Pex11 «работает» в растении, то, возможно, и растительный PEX11 сможет работать в клетках млекопитающих? Пока это гипотеза, но она даёт направление для поиска лечения и для создания новых штаммов-продуцентов.
Вопрос остаётся открытым: каким именно образом PEX11 запускает образование везикул? И можно ли заставить пероксисомы «сдуваться» по команде, чтобы, например, ускорить рост проростков или повысить выход биотоплива? CRISPR уже показал дорогу — теперь дело за тонкой настройкой.
