Нове дослідження показує, що іонні градієнти через клітинні мембрани створюють мережу для швидкого прийняття рішень клітиною, окремо від ДНК. Клітини постійно переміщуються в динамічному середовищі, стикаючись із постійно мінливими умовами та викликами. Але як клітини швидко адаптуються до цих коливань середовища?
Нове дослідження онкологічного центру Моффіта, опубліковане в iScience, дає відповідь на це питання, піддаючи сумніву наше розуміння того, як функціонують клітини. Команда дослідників припускає, що клітини мають раніше невідому систему обробки інформації, яка дозволяє їм приймати швидкі рішення незалежно від їхніх генів.
Десятиліттями вчені розглядали ДНК як єдине джерело клітинної інформації. Цей план ДНК вказує клітинам, як будувати білки та виконувати основні функції. Однак нове дослідження в Moffitt під керівництвом Діпеша Ніраули, доктора філософії, і Роберта Гейтенбі, доктора медичних наук, виявило негеномну інформаційну систему, яка працює разом з ДНК, дозволяючи клітинам збирати інформацію з навколишнього середовища та швидко реагувати на зміни.
Роль іонних градієнтів
Дослідження було зосереджено на ролі іонних градієнтів через клітинну мембрану. Ці градієнти, які підтримуються спеціалізованими насосами, вимагають великих витрат енергії для генерації змінних трансмембранних електричних потенціалів. Дослідники припустили, що градієнти являють собою величезний резервуар інформації, який дозволяє клітинам постійно контролювати навколишнє середовище.
Коли інформація отримується в певній точці клітинної мембрани, вона взаємодіє зі спеціалізованими воротами в іонно-специфічних каналах, які потім відкриваються, дозволяючи цим іонам текти вздовж уже існуючих градієнтів, утворюючи канал зв’язку. Потоки іонів викликають каскад подій, що прилягають до мембрани, дозволяючи клітині аналізувати інформацію та швидко реагувати на неї. Коли потоки іонів великі або тривалі, вони можуть спричинити самозбірку мікротрубочок і мікрофіламентів для цитоскелету.
Як правило, мережа цитоскелета забезпечує механічну підтримку клітини та відповідає за форму та рух клітини. Проте дослідники Моффіта відзначили, що білки цитоскелета також є чудовими провідниками іонів.
Це дозволяє цитоскелету діяти як високодинамічна внутрішньоклітинна мережа для передачі інформації на основі іонів від мембрани до внутрішньоклітинних органел, включаючи мітохондрії, ендоплазматичний ретикулум і ядро. Дослідники припустили, що ця система, яка дозволяє швидко та локально реагувати на певні сигнали, також може генерувати скоординовані регіональні чи глобальні відповіді на більші зміни навколишнього середовища.
Відомості та наслідки дослідження
«Наше дослідження розкриває здатність клітин використовувати трансмембранні градієнти іонів як засіб зв’язку, що дозволяє їм швидко відчувати зміни в навколишньому середовищі та реагувати на них», — сказав Ніраула, науковий співробітник відділу машинного навчання. «Ця заплутана мережа дозволяє клітинам приймати швидкі та обґрунтовані рішення, критичні для їхнього виживання та функціонування».
Дослідники вважають, що ця негеномна інформаційна система має вирішальне значення для формування та підтримки нормальної багатоклітинної тканини, і припускають, що добре описані потоки іонів у нейронах є спеціальним прикладом цієї широкої інформаційної мережі. Порушення цієї динаміки також може бути критичним компонентом розвитку раку.
Вони продемонстрували, що їхня модель узгоджується з кількома експериментальними спостереженнями, і висвітлили кілька прогнозів, які можна перевірити, що випливають із їхньої моделі, сподіваючись, проклавши шлях для майбутніх експериментів, щоб перевірити їхню теорію та пролити світло на тонкощі прийняття рішень клітинами.
«Це дослідження ставить під сумнів неявне припущення в біології про те, що геном є єдиним джерелом інформації, а ядро діє як своєрідний центральний процесор. Ми представляємо абсолютно нову мережу інформації, яка забезпечує швидку адаптацію та складну комунікацію, необхідну для виживання клітин і, ймовірно, глибоко залучену в міжклітинну передачу сигналів, що дозволяє функціонувати багатоклітинним організмам», — сказав Гейтенбі, співдиректор Центру передового досвіду еволюційної терапії в Моффітті.
