Белки тихоходок радикально повысили выживаемость человеческих клеток в условиях стресса

Водяные медведи в активном состоянии выдерживают огромные перепады температур, давления и влажности. Поистине непобедимыми они становятся, когда переходят в состояние стазиса — их организм теряет до 99 процентов влаги, а метаболизм замедляется фактически до полной остановки. После восстановления благоприятных условий тихоходки оживают и продолжают существовать как ни в чем не бывало. Среди нескольких разнообразных свойств этих микроскопических животных исследователи обратили внимание на одно, позволяющее клеткам водяных медведей переживать практически полное осушение.

Дело в том, что цитоплазма клеток тихоходок содержит большие количества определенных внутренне неупорядоченных белков (IDP). Такие полипептиды частично или полностью лишены постоянной трехмерной структуры, то есть они выглядят как хаотично расположенные в пространстве нити. Прочие классы протеинов имеют четко оформленную трехмерную структуру (они свернуты), от которой зависят их биологические свойства. Известны разные биологические роли IDP — например, сигнальные или регуляторные, однако их исследования приносят постоянные сюрпризы.

Внутренне неупорядоченный белок CAHS D в клетках водяных медведей образует нитевидные структуры, похожие на паутину, из-за которых цитоплазма превращается в гель. Происходит это только при снижении концентрации CAHS D в растворе ниже определенного порога. Пока концентрация выше, цитоплазма остается жидкой, и этот полипептид, судя по всему, никак не участвует в метаболизме клетки. В марте 2023 года ученые из Вайомингского университета (UW, США) показали, что CAHS D способен здорово повысить сохранность биологического материала (препаратов, вакцин, стволовых клеток, крови) при высушивании — это упрощает их хранение и транспортировку.

Слева (a): флуоресцентная микроскопия культуры человеческих клеток (HEK, линия получена из эмбриональных почек человека) до (unstressed) и во время (sorbitol) осмотического стресса; строки подписаны согласно белкам, которые в них экспрессируются — без CAHS D (просто mVenus), с CAHS D (mVenus:CAHS D) или его модернизированным версиям (mVenus:2X Linker и mVenus:FL_Proline); зеленый цвет показывает экспрессируемые белки, голубой — ДНК, фиолетовый — клеточную мембрану; масштабная линейка равна 10 микрометрам. Справа (b): график суммарной выживаемости культур HEK с разными IDP или вовсе без них (красный столбец) после окончания периода осмотического стресса. Справа (c): уменьшение объема клеток во время осмотического стресса с разными IDP или вовсе без них (красный столбец) / © https://doi.org/10.1002/pro.4941

Теперь та же команда смогла, во-первых, детально изучить процесс работы CAHS D непосредственно в живых клетках, а во-вторых, проверить его эффективность на культуре человеческих клеток. В подготовке исследования участвовали ученые из Медицинской школы Вашингтонского университета (WUSM, США), а также Болонского (Италия), Амстердамского (Нидерланды) и Калифорнийского (UC Merced, США) университетов. Подробнее о методике экспериментов, всех их деталях и расширенных выводах можно прочитать в научной работе, которая опубликована в рецензируемом журнале Protein Science. Текст находится в открытом доступе.

Человеческие клетки, экспрессировавшие белок CAHS D, пережили осмотический стресс на протяжении 24 часов почти вдвое лучше лишенных этого IDP. Из них удалось оживить около половины, тогда как в контрольной группе погибли приблизительно 75 процентов.

Что интересно, в эксперименте изучались еще две культуры — с модифицированным внутренне неупорядоченным белком тихоходок. Одна получила его версию, которая полностью лишена возможности формировать гель в цитоплазме, вторая просто делала это хуже. Обе эти культуры тоже показали способность переживать осмотический стресс лучше, чем человеческие клетки без CAHS D. Следовательно, защитные функции изучаемого пептида не ограничиваются его свойством «желатинизировать» внутренности клетки.