Ученые выяснили, что контролирует рост клеток растений

Растения большую часть жизни используют фотосинтез для получения энергии. Однако на раннем этапе, после прорастания семени, они еще не могут улавливать свет. В этот короткий, но критический период они полагаются на запасенные жирные кислоты. Для их расщепления растительные клетки используют специализированную структуру — пероксисому, мембранный органелл, который также присутствует в клетках человека.

«Растение, которое мы используем, Arabidopsis, имеет крупные клетки и пероксисомы настолько большие, что мы можем видеть их внутренности с помощью светового микроскопа, — рассказала Бонни Бартел, профессор биологических наук. — Пероксисома становится еще больше на стадии перехода от семени к проростку, когда растение использует жирные кислоты для энергии, а затем уменьшается до нормального размера, как только растение начинает фотосинтезировать».

Команда Бартел сосредоточилась на этих увеличенных пероксисомах, в частности на белке PEX11. Ученые давно знали, что PEX11 играет роль в делении пероксисом. В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда обнаружила, что этот белок также помогает контролировать расширение и сжатие пероксисом во время раннего развития растений.

«Пероксисомы играют роль в некоторых заболеваниях человека и используются в биоинженерии, — сказал Натан Тарп, первый автор статьи и аспирант Университета Райса. — Однако их может быть довольно сложно изучать».

Обычная стратегия для понимания функции белка — отключить ген, ответственный за его производство, и наблюдать за эффектами. В данном случае ситуация была сложнее: PEX11 кодируется пятью различными генами. Отключение одного из них почти не давало эффекта, но удаление всех пяти приводило к гибели растения.

Чтобы обойти эту проблему, Тарп использовал передовые методы CRISPR для избирательного отключения различных комбинаций пяти генов. «Я смог использовать последние достижения CRISPR, чтобы разбить определенные комбинации пяти генов, — сказал Тарп. — Только тогда мы смогли увидеть, что PEX11 явно участвует в контроле роста пероксисомы на стадии перехода от семени к проростку».

Тарп создал два типа мутантных растений, в каждом из которых отсутствовал определенный набор генов PEX11. В обоих случаях пероксисомы расширялись на стадии прорастания, как и ожидалось. Однако вместо того, чтобы уменьшиться до обычного размера, некоторые продолжали расти далеко за пределы нормы. В крайних случаях пероксисомы простирались от одного конца клетки до другого. В этих мутантных клетках также отсутствовали везикулы — небольшие мембранные компартменты, которые обычно образуются внутри пероксисомы во время переработки жирных кислот.

«Везикулы, отрывая кусочки мембраны при формировании, могут помогать контролировать рост пероксисомы, — пояснил Тарп. — В наших мутантах PEX11 эти везикулы либо не образуются, либо аномально малы и редки, поэтому мы видим эти огромные пероксисомы, намного больше нормы».

Хотя исследование было сосредоточено на растениях, Тарп хотел узнать, существует ли тот же механизм у других организмов. Он ввел дрожжевую версию белка Pex11 в мутантные растительные клетки. «Мы поместили дрожжевой Pex11 в наши мутантные растительные клетки, чтобы проверить, сможет ли он вернуть пероксисомы в нормальное состояние, — сказал Тарп. — И он это сделал».

Этот результат предполагает, что Pex11 выполняет схожую функцию у дрожжей и растений, несмотря на огромное эволюционное расстояние между ними. Из-за этого белок может играть аналогичную роль и в других типах клеток, включая человеческие. «Обнаружение того, что этот белок выполняет ту же роль в клетках дрожжей и растений, позволяет предположить, что это может быть высококонсервативный белок, — сказала Бартел. — Таким образом, наши выводы, полученные на растениях, могут быть применимы к клеткам человека и клеткам, используемым в биоинженерии».