"Всплеск" активности перед гибелью клеток

Изучение движения крошечных клеток - непростая задача. Для хроматина, группы ДНК, РНК и белковых макромолекул, упакованных в нашем геноме, движение является неотъемлемой частью его активной роли в качестве регулятора того, как наши гены экспрессируются или подавляются.

"Понимание движения макромолекул имеет решающее значение, но ученые знают об этом очень мало", - сказал Вадим Бакман, профессор биомедицинской инженерии Уолтера Дилла Скотта в Северо-Западном университете. "Отчасти причина в том, что нам не хватает инструментальных методов для наблюдения за этими процессами".

Теперь исследовательская группа Инженерной школы Маккормика во главе с Бэкманом разработала новую оптическую технику для изучения движения клеток без использования меток или красителей для их отслеживания. Инновационный метод также выявил неоткрытое явление, которое может играть роль на самых ранних стадиях гибели клеток.

Выводы команды были опубликованы 10 апреля в журнале Nature Communications. Статья называется "Мультимодальная интерференционная визуализация наноразмерной структуры и движения макромолекул выявляет вызванный ультрафиолетом клеточный пароксизм".

В то время как ученые в настоящее время могут отслеживать движение клеток с помощью молекулярных красителей или меток, практика имеет ограничения. Красители токсичны и изменяют поведение клеток, прежде чем, в конечном итоге, убить их. Метки прикрепляются к клеткам, могут быть токсичными или приводить к фотообесцвечиванию и могут предупреждать о движении самих молекул, которые они помечают.

Новый метод, называемый dual-PWS, не содержит меток и может отображать и измерять движение макромолекул без использования красителей. Основываясь на ранее разработанном Бэкманом методе количественной визуализации под названием парциально-волновая спектроскопия (PWS), платформа использует интерференцию и изменения структуры от обратно рассеянного света для мониторинга как макромолекулярной структуры клеток, так и их динамического движения.

"Критические процессы, такие как транскрипция гена или восстановление поврежденных белков, требуют одновременного перемещения многих молекул в очень плотной и сложной среде", - сказал Скотт Гладштейн, аспирант лаборатории Бэкмана и первый автор исследования. "Как платформа для визуализации, позволяющая измерять как внутриклеточную структуру, так и динамику макромолекул в живых клетках с чувствительностью к структурам размером до 20 мкм с временным разрешением в миллисекунды, dual-PWS уникально подходит для изучения этих процессов".

Исследователи применили двойной PWS, изучив наноразмерные структурные и динамические изменения хроматина в эукариотических клетках in vitro. Используя ультрафиолетовый свет для индуцирования клеточной смерти, команда измерила, как изменилось движение хроматина клеток.

"Имеет смысл, что когда клетки вот-вот умрут, их динамика уменьшается", - сказал Бэкман. "Стимулирующее движение, которое существует в живых клетках, чтобы помочь экспрессировать гены и изменять их экспрессию в ответ на стимулы, исчезает. Мы ожидали этого ".

Чего исследователи не ожидали, так это впервые увидеть биологическое явление. По словам Бэкмана, клетка достигает "точки невозврата" во время распада, когда, даже если источник клеточного повреждения остановлен, клетка не сможет восстановить себя до функционального состояния. Используя dual-PWS, исследователи заметили, что непосредственно перед этим поворотным моментом геномы клеток быстро и мгновенно изменяются, при этом различные части клетки движутся, казалось бы, случайным образом.

"Каждая протестированная нами клетка, которой было суждено умереть, испытала этот пароксизмальный толчок. Ни одна из них не смогла вернуться в жизнеспособное состояние после того, как это произошло ", - сказал Бэкман, который возглавляет новый Центр физической геномики и инженерии Северо-Западного университета.

Команде неясно, почему и как происходит явление, называемое клеточным пароксизмом. Первоначально Бэкман задавался вопросом, может ли движение быть вызвано попаданием ионов в клетку, но такой процесс занял бы слишком много времени. Нескоординированные движения клеточных структур происходили в течение миллисекунд.

"В биологии просто нет ничего, что двигалось бы так быстро", - сказал Бэкман. Он добавил, что сотрудники его лаборатории были настолько удивлены результатами, что пошутили, что это явление можно объяснить тем, что "мидихлорианы" покидают клетку, ссылаясь на химическое воплощение "Силы" в фильмах "Звездные войны".

Хотя клеточные пароксизмы пока остаются загадкой, Бэкман считает, что результаты команды подчеркивают важность изучения макромолекулярного поведения живых клеток. Чем больше исследователи смогут узнать о хроматине, тем больше вероятность того, что однажды они смогут регулировать экспрессию генов, что может изменить способ лечения людей от таких заболеваний, как рак и болезнь Альцгеймера.

"Каждый отдельный биологический процесс, который вы можете себе представить, включает в себя какую-то макромолекулярную перегруппировку", - сказал Бэкман. "По мере расширения наших исследований я не могу не задаться вопросом:" Что мы обнаружим дальше?".