Количественный метод визуализации показывает, как клетки быстро сортируют и транспортируют липиды

от

Липиды трудно обнаружить с помощью световой микроскопии. Команда из Дрездена под руководством Андре Надлера в Институте молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (MPI-CBG) и Альфа Хонигмана в Биотехнологическом центре (BIOTEC) ТУ Дрезден преодолела это ограничение, разработав новую стратегию химической маркировки. Это позволило получить новые представления о липидах.

Исследователи смогли ответить на давно стоящий вопрос: как клетки транспортируют определённые липиды к мембранам своих целевых органелл? Новая методика визуализации липидов поможет понять роль транспорта липидов в здоровье и болезнях. Результаты были опубликованы в журнале Nature.

Роль липидов в клетках

Липидные молекулы, или жиры, имеют решающее значение для всех форм жизни. Клетки нуждаются в липидах для построения мембран, разделения и организации биохимических реакций, хранения энергии и передачи информации.

Каждая клетка может создавать тысячи различных липидов, и когда они выходят из равновесия, могут возникнуть метаболические и нейродегенеративные заболевания. До сих пор не до конца понятно, как клетки сортируют разные типы липидов между органеллами, чтобы поддерживать состав каждой мембраны.

Основная причина заключается в том, что липиды трудно изучать, поскольку методы микроскопии для точного отслеживания их местоположения внутри клеток до сих пор отсутствовали.

Разработка метода визуализации липидов

В длительном сотрудничестве Надлер, химик-биолог из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка в Дрездене, Германия, объединился с Хонигманом, специалистом по биовизуализации из Биотехнологического центра (BIOTEC) в ТУ Дрезден, чтобы разработать метод, позволяющий визуализировать липиды в клетках с помощью стандартной флуоресцентной микроскопии.

После первого успешного доказательства концепции дуэт привлёк эксперта по масс-спектрометрии Андрея Шевченко (MPI-CBG), Бьёрна Дробота из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и группу Мартина Хофа из Института физической химии им. Я. Гейровского в Праге для изучения того, как липиды транспортируются между клеточными органеллами.

«Мы начали наш проект с синтеза набора минимально модифицированных липидов, которые представляют основные липиды, присутствующие в мембранах органелл. Эти модифицированные липиды практически идентичны их природным аналогам, с несколькими отличающимися атомами, которые позволили нам отслеживать их под микроскопом», — объясняет Кристин Бёхлиг, доктор философии в группе Надлера и химик, отвечавший за создание модифицированных липидов.

Модифицированные липиды имитируют природные липиды и являются «бифункциональными», что означает, что они могут быть активированы ультрафиолетовым светом, вызывая связывание липида или образование поперечных связей с близлежащими белками. Модифицированные липиды были загружены в мембрану живых клеток и со временем транспортированы в мембраны органелл. Исследователи работали с клетками человека в клеточной культуре, такими как клетки костей или кишечника, поскольку они идеально подходят для визуализации.

«После обработки ультрафиолетовым светом мы смогли отслеживать липиды с помощью флуоресцентной микроскопии и фиксировать их местоположение с течением времени. Это дало нам полную картину обмена липидами между клеточной мембраной и мембранами органелл», — заключает Кристин.

Чтобы понять данные микроскопии, команде понадобился специальный конвейер анализа изображений. «Чтобы удовлетворить наши конкретные потребности, я разработал конвейер анализа изображений с автоматизированной сегментацией изображений с помощью искусственного интеллекта для количественной оценки потока липидов через систему клеточных органелл», — говорит Хуан Иглесias-Артола, который занимался анализом изображений.

Объединив анализ изображений с математическим моделированием, проведённым Дроботом в HZDR, исследовательская группа обнаружила, что от 85% до 95% транспорта липидов между мембранами клеточных органелл организовано белками-переносчиками, которые перемещают липиды, а не везикулами.

Этот невезикулярный транспорт гораздо более специфичен в отношении отдельных видов липидов и их сортировки по различным органеллам в клетке. Исследователи также обнаружили, что транспорт липидов белками происходит в десять раз быстрее, чем везикулами. Эти результаты означают, что липидный состав мембран органелл в основном поддерживается за счёт быстрого, видоспецифичного, невезикулярного транспорта липидов.

В параллельных экспериментах группа Шевченко в MPI-CBG использовала масс-спектрометрию сверхвысокого разрешения, чтобы увидеть, как различные липиды изменяют свою структуру во время транспорта от клеточной мембраны к мембране органеллы.

Этот новый подход предоставляет первую в истории количественную карту того, как липиды перемещаются через клетку к различным органеллам. Результаты показывают, что невезикулярный транспорт липидов играет ключевую роль в поддержании состава мембран каждой органеллы.

Хонигманн, руководитель исследовательской группы в BIOTEC, говорит: «Наша техника визуализации липидов позволяет провести механистический анализ транспорта и функции липидов непосредственно в клетках, что раньше было невозможно. Мы считаем, что наша работа открывает дверь в новую эру изучения роли липидов внутри клетки».

Визуализация липидов позволит сделать новые открытия и помочь выявить основные механизмы заболеваний, вызванных дисбалансом липидов. Новая методика потенциально может помочь разработать новые лекарственные мишени и терапевтические подходы для лечения заболеваний, связанных с липидами, таких как неалкогольная жировая болезнь печени.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте