Американские ученые исследовали адаптации клеточных мембран к высокому давлению. Обычная клеточная мембрана в условиях высокого давления переходит в нерабочее состояние — из текучей жидкокристаллической фазы она переходит в «застывшую» гелевую фазу. Поэтому клеткам животных, живущих не большой глубине, необходимо предотвращать этот переход. На материале гребневиков с разных глубин ученые выявили компонент липидной мембраны, который отвечает за поддержание жидкокристаллической фазы даже в таких стрессовых условиях, и предложили общий молекулярный механизм, позволяющий клеткам сохранять свои мембраны в функциональном состоянии при увеличении давления.
Адаптации живых организмов к условиям их обитания бывают всякие — от своеобразного поведения и изощренных морфологических структур до специфических молекул. Внимание публики чаще привлекают первые два уровня адаптации, тогда как молекулярный уровень — гораздо менее зрелищный и понятный — освещается в научно-популярных изданиях гораздо реже. Но это ничуть не умаляет важность молекулярных адаптаций, которые природа «изобрела» в процессе эволюции. Новое исследование по этой теме недавно вышло в журнале Science. Его авторы разбирались, какие молекулярные адаптации в липидном составе клеточных мембран приобретают глубоководные животные.
Если чуть-чуть задуматься, то актуальность данной темы становится очевидной. Липиды являются основой клеточных мембран. Они собираются в так называемый бислой, в который включены другие липиды, белки и полисахариды различного состава. Липидный бислой в своем обычном состоянии находится в жидкокристаллическом состоянии, то есть она имеет строгую упорядоченность и одновременно обладает, как и любая жидкость, вязкостью и текучестью (см.
статью В. Шибаева Жидкие кристаллы: холестерики).
В этом состоянии клеточная мембрана приобретает функциональные свойства целостности, определенной проницаемости и устойчивости. Но если понижается температура или увеличивается давление, то из состояния ламинарного (слоистого) жидкого кристалла мембрана переходит в другое фазовое состояние — состояние ламинарного геля: она теряет текучесть, «затвердевает». В таком состоянии она уже не может поддерживать внутриклеточный гомеостаз, восстанавливать целостность при дефектах, и сливаться с другими мембранами. А значит, прекращается лизосомный и пузырьковый транспорт — в результате клетка погибает. Следовательно, задача живущих на глубине организмов — «подобрать» себе такие липиды, которые в обычных для них условиях предотвращают превращение мембраны в гель. Для глубоководных организмов, где и холодно, и давление чрезвычайно высокое, эта задача становится архиважной.
О том, как липидные клеточные мембраны ведут себя в стрессовых для них условиях и как живые организмы поддерживают клеточные мембраны в рабочем состоянии, уже написаны десятки тысяч работ и книг (см., например, обзор A. MacDonald, 2021. Life at High Pressure In the Deep Sea and Other Environments). В этом смысле новая статья в Science не столько добавляет какие-то особенные и неожиданные факты, сколько демонстрирует исследовательские возможности в этой области. Что еще важнее, ее авторы попытались вывести общий знаменатель для подобных адаптаций.
Американские специалисты под руководством Джейкоба Винникоффа (Jacob Winnikoff) из университета Сан-Диего работали с гребневиками. Гребневики освоили весь диапазон глубин океана — от мелководий до четырехкилометровой абиссали. В распоряжении ученых были как мелководные, так и глубоководные виды: коллекция включала 66 экземпляров гребневиков из 17 видов, пойманных на мелководьях теплых и холодных арктических морей, а также на разных глубинах до 4 км. С таким набором данных можно уловить различие между холодноводными и тепловодными видами, а также между холодноводными видами с глубин и с поверхности. Свою задачу специалисты видели в том, чтобы сравнить мембранные липиды мелководных и глубоководных обитателей, а также тепловодных и холодноводных, и выявить различие между ними. Иными словами, ученые задались целью отграничить те липиды, которые отвечают за адаптацию мембраны к низкой температуре, от тех, которые отвечают за адаптацию к высокому давлению.
Составив библиотеки липидов для всех экземпляров (липидомы), ученые действительно выявили одно ключевое отличие для глубоководных экземпляров: концентрация одного из фосфолипидов — плазменил фосфатидил-этанол-амина (plasmenyl phosphatidylethanolamine, PPE) — в пять раз выше у глубоководных видов по сравнению с мелководными видами. PPE отличается от «просто» фосфатидил-этанол-амина (РЕ) наличием боковой ацильной группы. При содержанию PPE мелководные виды из холодной Арктики не отличались от тепловодных сородичей. А это доказывает специфичность PPE для адаптации к глубоким водам.
Проверить гипотезу о защитных функциях PPE при повышении давления ученые решили сразу двумя способами. Первый — попроще. Они построили мембраны и липосомы из PPE и сравнили их устойчивость к давлению с обычными мембранами и липосомами. Выяснилось, что PPE-мембраны поддерживают функциональность, не переходя в гель-фазу в более широком диапазоне давлений. Но важнее то, что они не теряют способность переходить в гексагональную фазу HII (см. рисунок выше), востребованную при образовании пузырьков и липосомного транспорта из клетки и в клетку. Вспомним, что именно это свойство обеспечивает, в частности, передачу нервного импульса в синапсах.
Для второго пути проверки гипотезы авторы сконструировали штамм бактерии E. coli со вставленной кассетой синтеза PPE. Этот штамм поместили в аппарат с высоким давлением (до 500 атмосфер) и посмотрели, как он будет расти и размножаться в таких условиях. Новый штамм показал себя вполне жизнеспособным, и по всем параметрам роста заметно перегнал контрольных бактерий.
Исследователи не остановились на этом, занявшись расшифровкой защитного механизма PPE. Их гипотеза базировалась на свойстве искривления липидного слоя. Монослой из того или иного липида из-за гидрофобности стремится «свернуться» в сферу, радиус которой зависит от характеристик липида. Этот радиус является одной из характеристик липидов или их смеси («кривизна липида»).
Авторы предположили, что ацильные группы в PPE расширяют конус липида и тем самым увеличивают его кривизну. При увеличении давления конус сужается, и кривизна слоя снижается, но при этом сам слой не переходит в гель-фазу. Удивительно, но эту гипотезу можно проверить, так как имеются наработки, позволяющие оценить кривизну липидных слоев. Исследования таких экспериментальных слоев показали, что из всех типовых классов липидов самой высокой кривизной обладал PPE. А среди липидомов гребневиков (их отдельно приготовили для этой части исследования согласно спискам липидов для каждого из 17 видов) наибольшей кривизной обладали липидомы глубоководных видов. Таким образом, признак кривизны липидов действительно важен для адаптации мембран к высоким давлениям.
Вместе с тем, авторы отмечают, что PPE обладает и другими функциями в мембранах, например, антиоксидантными, поэтому его может быть больше не только у глубоководных видов, но и у тепловодных. Это просто один из имеющихся липидов, которые клетка умеет синтезировать, а уж для чего использовать, решает адаптивный консенсус.
Это исследование показывает, как гребневики справляются с проблемой застывающей мембраны — заменяют большинство липидов мембраны на PPE. Если расположить 17 изученных видов на филогенетической схеме гребневиков, то видно, что данное решение появлялось независимо, по крайней мере, три раза в эволюционных линиях гребневиков. По всей видимости, подобную замену провести несложно.
Пока трудно заключить, насколько именно данный молекулярный инструмент адаптации (увеличение содержания PPE) удобен для других многоклеточных животных, ушедших на глубину. Вспомним, что у гребневиков почти нацело редуцировалась базальная пластинка, подстилающая эпителиальные слои колокола гребневика. Это означает, что у них целостность клеточных слоев должна поддерживаться иначе, чем у многоклеточных с базальной пластинкой, — вероятно, за счет других молекулярных инструментов. Однако общий принцип — поддержание определенной кривизны липидных слоев тем или иным образом, — должен работать для всех живых организмов.
Источники:
1) Jacob R. Winnikoff, Daniel Milshteyn, Sasiri J. Vargas-Urbano, Miguel A. Pedraza-Joya, Aaron M. Armando, Oswald Quehenberger, Alexander Sodt, Richard E. Gillilan, Edward A. Dennis, Edward Lyman, Steven H. D. Haddock, Itay Budin. Homeocurvature adaptation of phospholipids to pressure in deep-sea invertebrates // Science. 2024. DOI: 10.1126/science.adm7607.
2) Alister Macdonald. Life at High Pressure In the Deep Sea and Other Environments.
Елена Наймарк
Свежие комментарии