Таинственная органелла

Перед вами модель одной из самых загадочных клеточных структур — органеллы под названием vault, — визуализированная с помощью программы Jmol. Один из научных обзоров, посвященных vault, называется «Vault — это ответ, но в чем же вопрос?» (Vaults are the answer, what is the question?). И вопрос до сих пор не задан. Несмотря на то что эти органеллы были обнаружены 35 лет назад, ученые до сих пор не знают, зачем они нужны. О них редко пишут в университетских учебниках, а в русском языке до сих пор нет адекватной замены английскому термину vault, который переводится как «свод», «хранилище» или «сокровищница». Что же содержится в этой сокровищнице?

Vault — это цитоплазматический рибонуклеопротеин, то есть структура, состоящая из белков и РНК, в основном встречающаяся в цитоплазме (другой, гораздо более известный рибонуклеопротеин — рибосома, которая также состоит из белков и РНК). Vault состоит из двух одинаковых сводчатых структур, соединяющихся между собой. Каждая половина собрана из 39 молекул белка MVP (Major vault protein; одна из них выделена на визуалиции белым цветом). Разные домены этого белка образуют тело, плечо и шапочку, а две половины соединяются между собой, образуя «талию» органеллы. Интересно, что для сборки такой структуры необходимо лишь присутствие ионов кальция, всё остальное делают белки MVP.

Молекула белка MVP состоит из 9 повторов (9 structural repeats), которые входят в тело vault, «плечевого» домена (shoulder) и двух доменов, относящихся к шапочке: ее спиральной части (cap-helix) — она оранжевая на главном изображении — и кольца шапочки (cap-ring). Цифрами обозначены аминокислоты, с которых начинается каждый домен. Рисунок из статьи H. Tanaka, T. Tsukihara, 2012. Structural studies of large nucleoprotein particles, vaults

MVP — не единственный белок в этой структуре. Несмотря на то что vault внутри почти пуста, она содержит два типа белков с совершенно разными функциями. Поли(ADP-рибоза)-полимераза (vPARP или PARP4) модифицирует MVP, присоединяя к нему остатки поли-АДФ-рибозы. Эта модификация, вероятно, позволяет структуре быть более устойчивой. Другой белок — TEP1 — способен связываться с теломерами хромосом (но не необходим для их работы) и MVP. Его вероятная функция — связывание РНК vault (vault RNA), молекулы которой составляют всего 5% органеллы. В геноме человека есть четыре гена, кодирующие эту РНК, однако описаны только три таких РНК, а преобладает vault РНК1. Интересно, что только небольшое количество всех vault РНК напрямую можно найти в органелле. В отличие от рибосомальной РНК, РНК в vault не нужна для поддержания ее структуры. Также она не кодирует никаких белков. Но это только увеличивает диапазон потенциальных функций vault, так как некодирующие РНК участвуют в регуляции огромного количества процессов в клетке: от экспрессии генов до исправления повреждений в ДНК.

Какие же могут быть функции у этой органеллы?

Впервые vault выделили из клеток печени крыс в 1986 году. Выделили их случайно, работая над очисткой клеточных везикул (пузырьков), которые участвуют в транспорте различных веществ в клетке. Однако vault оказались всего лишь загрязнением в образцах пузырьков и не имели ничего общего с ними.

Одна из первых гипотез, которую предложили ученые, — что vault участвует в транспорте чего-либо. Эта гипотеза возникла из-за формы органеллы: две половинки, образующие полую структуру, вполне могут что-нибудь переносить. Vault имеет структуру, чем-то напоминающую комплекс ядерной поры, через которую молекулы поступают внутрь ядра и из него. Теоретически, vault можно вставить в ядерную пору. Диаметр первой — 26–35 нм в зависимости от метода получения измерений, диаметр второй — 30–35 нм.

Ядерные поры в ооците тритона, электронная микрофотография. Стрелками указаны 8 субъединиц кольца ядерной поры, которые видно со стороны цитоплазмы. Длина масштабного отрезка — 100 нм. Фото из статьи M. W. Goldberg, T. D. Allen, 1993. The nuclear pore complex: three-dimensional surface structure revealed by field emission, in-lens scanning electron microscopy, with underlying structure uncovered by proteolysis

Vault чаще всего можно обнаружить в цитоплазме, но часть частиц действительно взаимодействует с ядерными порами. Более того, в раковых клетках vault обнаруживается и в ядре. В пользу этой гипотезы также свидетельствует то, что как белки vault, так и ее РНК могут связываться с белками, которым после образования в цитоплазме надо попасть в ядро. Однако исследователи по-прежнему не уверены в этой функции vault. Одна из причин — недостаток методик. Самый распространенный способ изучить взаимодействие белков — выудить их из клетки (или в данном случае — выделить vault) и изучить все белки-соседи (этот метод называется иммунопреципитацией белков). Однако часто выделяются и белки, которые взаимодействуют случайно, и это взаимодействие не имеет никакого значения.

Поведение vault в раковых клетках заставляет задуматься, не играют ли эти органеллы какую-либо роль в онкологических процессах. У пациентов с устойчивыми к терапии опухолями увеличивается число vault в клетках. Один из способов развития устойчивости — выведение препаратов из ядра, где, по идее, они должны действовать. В действительности если клетки человеческих опухолей, лишенные vault, обработать препаратами для химиотерапии (например, доксорубицином), то клетки снижают это выведение, а препарат остается в ядре. Скорее всего, с препаратами связываются не белковые молекулы органеллы, а РНК, которые работают как губка и не дают препарату действовать. В устойчивых к химиотерапии опухолевых клетках действительно увеличивается число копий vault РНК3. Однако всё не так просто. Такой эффект, по-видимому, проявляется только у человека, так как мыши, лишенные белка MVP и, следовательно, существующие без vault, вовсе не имели повышенной чувствительности к химиотерапии.

Тем не менее vault и связанные с ней РНК могут влиять на процессы, которые участвуют в росте и развитии раковых клеток. Во-первых, vault РНК1 связывается с белком PTEN, который необходим для поддержания целостности генома в раковых клетках при химиотерапии. В клетках рака молочной железы vault РНК1 взаимодействует с белком PSF — одним из многочисленных регуляторов транскрипции РНК и репликации ДНК. Это связывание приводит к тому, что клетки начинают больше делиться. Vault РНК2 может взаимодействовать с ферментом PKR, подавляя его активность в нормальных клетках. В раковых клетках vault РНК2 больше, чем в обычных, поэтому PKR активирован, а это увеличивает выживаемость клеток за счет подавления их апоптоза.

Хотя механизмы участия vault в росте и развитии опухолей еще непонятны, уровень экспрессии ее компонентов можно использовать в качестве фактора прогноза. Например, повышенный уровень белка MVP коррелирует с устойчивостью к терапии и общей выживаемостью у пациентов с раком кроветворной системы. А в случае рака мочевого пузыря и меланомы чем выше его уровень, тем устойчивей опухоль к химиотерапии.

Vault, по-видимому, участвует и в ответе клеток на вторжение вирусов. Уровень vault РНК увеличивается при заражении клетки различными вирусами. На клетки это оказывает разное влияние: в случае инфекции вирусом Эпштейна — Барр vault РНК защищает клетки от апоптоза, в случае заражения вирусом гриппа А — помогает репликации вируса. В конечном счете это приводит к увеличению вирусной нагрузки и развитию инфекции.

Изучение vault в различных организмах, вероятно, поможет ответить на вопрос «Для чего нужны эти органеллы?», раз они встречаются у млекопитающих, амфибий, птиц и даже слизевиков. Однако и здесь эти органеллы удивляют исследователей, ведь у таких распространенных модельных организмов, как нематоды Caenorhabditis elegans, дрозофилы и пекарские дрожжи, они отсутствуют.

Тем не менее, пока функция vault не выяснена, ей можно придумать новые. Природная капсула из двух половинок идеально подходит для доставки каких-то веществ. Именно с такой задумкой один из первооткрывателей vault — профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Леонард Роум (Leonard Rome) — работает с компанией Vault Pharma. Эта компания занимается разработкой модифицированных vault для лечения онкологических и инфекционных заболеваний. Интересно, что произойдет быстрее: будут описаны точные функции этой органеллы или будут создана терапия на их основе?

Модель vault (PDB entry 4V60), представленная на сайте Protein Database. Модель впервые опубликована в статье H. Tanaka et al., 2009. The Structure of Rat Liver Vault at 3.5 Angstrom Resolution.

Екатерина Грачева