Клетки постоянно ощущают изменения внешней и внутриклеточной среды и меняют свою активность в зависимости от имеющихся ресурсов. Когда клетки лишаются питательных веществ или повышается температура окружающей среды, они переходят в состояние адаптации, при котором временно ограничивают синтез белка и образуют временные структуры из РНК и белков. Эти структуры, известные как биомолекулярные конденсаты, не имеют мембраны и характеризуются высокой динамичностью, что позволяет им разбирать и высвобождать накопленные молекулы при нормализации условий. Таким образом, клетка возобновляет нормальный синтез белка и возвращает свою активность к обычному равновесию. Исследование, опубликованное в Молекулярная клетка, показывает, что клетки не образуют эти конденсаты случайно, а целенаправленно используют их для перестройки своих функций и адаптации к стрессу.
Что делают клетки при стрессе?
При возникновении стресса клетка временно прекращает трансляцию матричных РНК (мРНК – молекул, которые несут генетическую информацию из ДНК и служат матрицей для синтеза белка). Вместо того, чтобы разрушать их, он собирает их в плотные структуры, называемые гранулами стресса. В них РНК сохраняются в стабильном виде до тех пор, пока внутриклеточная среда снова не позволит восстановить синтез белка. Таким образом, клетка экономит энергию, защищает молекулы РНК и может быстро восстановить свои нормальные функции после прохождения стресса.
Современные исследования показывают, что образование стрессовых гранул происходит не случайно, а под строгим внутриклеточным контролем. Молекулы РНК, которые уже участвуют в синтезе белка до наступления стресса, перемещаются в эти структуры, тогда как вновь образовавшиеся РНК остаются в цитоплазме и продолжают служить для построения белков, необходимых для адаптации. Таким образом, клетка временно выключает не важные для выживания процессы и направляет свою энергию на синтез белков, поддерживающих стабильность клеточных структур и восстановление клеточного равновесия.
Наблюдение того, что стрессовые гранулы формируются по контролируемому механизму, указывает на то, что реакция клетки на стресс внутренне организована и жестко регулируется. Это не результат случайных физико-химических изменений, а точный процесс, посредством которого клетка управляет своими молекулами для поддержания жизненно важных функций и восстановления равновесия после исчезновения неблагоприятных факторов.
Как клетка различает, какие РНК следует сохранить?
Время, в которое синтезируются РНК, имеет решающее значение. Когда возникает клеточный стресс, трансляция (процесс, при котором информация из матричной РНК используется для создания белков) прерывается. В результате концы ранее существовавших РНК высвобождаются из рибосом и белков, поддерживающих их активность. Таким образом, они могут взаимодействовать с другими молекулами и включаться в стресс-гранулы. РНК, образующиеся после наступления стресса, сохраняют защитный белковый слой и остаются активными в цитоплазме, где участвуют в синтезе белков, поддерживающих адаптацию клеток.
Этот механизм позволяет клетке временно подавить процессы, не связанные с выживанием, и сосредоточить синтез на белках, участвующих в реакции на стресс. Информация, содержащаяся в РНК, не теряется — она сохраняется в организованных комплексах белков и нуклеиновых кислот и остается доступной при возвращении клеточных состояний в норму.
Открытие показывает, что реакция клетки на стресс носит не только биохимический, но и пространственный характер. Биомолекулярные конденсаты действуют как временные регуляторные зоны, в которых клетка определяет, какие РНК должны оставаться активными, а какие следует приостановить до тех пор, пока условия не вернутся в норму.
Каковы функции биомолекулярных конденсатов и вне стрессовых условий?
Исследования показывают, что аналогичные процессы происходят и при отсутствии стресса. В клетке периодически образуются крошечные структуры, называемые конденсатами инициации транскрипции (временные скопления РНК и белков, которые возникают, когда рибосомы ненадолго прекращают синтез белка). Они возникают во время нормальных колебаний клеточной активности и, вероятно, участвуют в точной регуляции движения и расположения РНК и белков в цитоплазме.
Это открытие имеет значение для разработки лекарств, которые регулируют образование и разрушение стрессовых гранул при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и боковой амиотрофический склероз. Это открывает возможность использовать конденсаты в качестве биомаркеров для раннего выявления и отслеживания нарушений функций клеток, связанных с этими заболеваниями. Это также помогает создавать более точные модели клеточной организации, которые можно использовать в исследованиях регенеративной и синтетической биологии.
Ссылки:
1. Глаунингер Х., Бард Дж.Э.М., Вонг Хикернелл С.Дж. и др. Конденсация мРНП по всему транскриптому предшествует образованию стрессовых гранул и исключает новые мРНК. Мол Клетка. 2025;85(10):1735-1751. doi:10.1016/j.molcel.2025.11.003.
2. Патнэм А., Томас Л., Сейду Г. Гранулы РНК: функциональные отсеки или случайные конденсаты? Генс Дев. 2023;37(9-10):354-376. doi:10.1101/gad.350518.123.
3. Волозин Б., Иванов П. Стрессовые гранулы и нейродегенерация. Nat Rev Neurosci. 2019;20(11):649-666. doi: 10.1038/s41583-019-0222-5.