Исследователи из Института иммунологии Ла Джолла (LJI) наконец-то раскрыли, как фермент под названием O-GlcNAc-трансфераза (OGT) поддерживает здоровье клеток. Их выводы, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academies of Sciences, раскрывают ключевой аспект клеточной биологии и могут привести к важным медицинским достижениям.
«Многие заболевания связаны с функцией OGT», – говорит преподаватель LJI Сян Ли, доктор философии, который был первым автором нового исследования. «Например, многие исследования показали аномальную функцию OGT при раке, диабете и сердечно-сосудистых заболеваниях».
Новое исследование, проведенное под руководством Ли и в соавторстве с профессором LJI Анджаной Рао, доктором философии, и доцентом LJI Сэмюэлем Майерсом, доктором философии, впервые показывает, что OGT контролирует выживание клеток, регулируя критически важный белок mTOR.
Клетки полагаются на mTOR, чтобы поддерживать работу своих митохондриальных энергетических установок. Без функционального mTOR клетки не справляются почти со всеми своими основными функциями, от синтеза белка до пролиферации клеток. Неудивительно, что дисфункция mTOR также является отличительной чертой многих заболеваний.
«ОГТ важен для каждой клетки организма», – объясняет Майерс. «Благодаря этому исследованию у нас теперь есть модель, которую мы можем использовать для будущих исследований того, что делает каждая часть OGT».
На самом деле, работа OGT по гликозилированию настолько важна, что без нее эмбриональные клетки погибнут. Но до сих пор ученые не знали, почему.
Как объясняет Майерс, именно важная природа OGT делает его таким трудным для изучения. Обычно ученые изучают ферменты и другие белки, развивая клетки, в которых отсутствуют гены этих белков. Они генерируют новые, нефункциональные клетки, а затем исследуют, как все пошло не так.
Но в случае с OGT такой эксперимент закончится, даже не начавшись. Поскольку существует только один OGT, ученые не смогли удалить его или уменьшить его функцию, не убив те самые клетки, которые им нужно изучить. «Мы знали, что OGT необходим для выживания клеток, но более 20 лет мы не знали почему», – говорит Ли.
В новом исследовании Ли удалось обойти эту проблему, используя индуцибельную систему для удаления гена OGT. Он работал с эмбриональными стволовыми клетками мыши, а затем использовал индуцибельную версию белка, известного как Cre, для удаления гена OGT. Это означало, что клетки могли нормально расти, пока ученые не решили активировать процесс, после чего клетки, потерявшие ген OGT, переставали пролиферировать и умирали.
Команда обнаружила, что удаление гена OGT привело к аномальному увеличению функции ключевого фермента mTOR, регулирующего клеточный метаболизм. Удаление гена OGT также стимулировало важный, но потенциально опасный процесс в клетках, называемый митохондриальным окислительным фосфорилированием.
Почему митохондриальное окислительное фосфорилирование так опасно? Этот процесс в клетках является частью тонкого пути, который позволяет клеткам производить АТФ (молекулу, которая питает клетку). АТФ может производиться как путем гликолиза, так и путем митохондриального окислительного фосфорилирования, и нарушение этого баланса может иметь разрушительные последствия для клеток.
К счастью, OGT защищает активность mTOR и митохондриальный фитнес, обеспечивая бесперебойный синтез белка и регулируя уровень аминокислот в клетках. Важно отметить, что исследователи обнаружили такую же защитную роль OGT в CD8+ Т-клетках, что позволяет предположить, что фермент работает одинаково во всех типах клеток млекопитающих, а не только в эмбриональных стволовых клетках мыши.
Задавшись вопросом, восстановит ли второй ген в эмбриональных стволовых клетках мыши рост клеток, лишенных OGT, Ли обнаружил, что mTOR и окислительное фосфорилирование митохондрий гиперактивированы в клетках, лишенных OGT, и клетки можно спасти, заглушив их функцию.
Это хорошая новость для ученых, которые надеются узнать больше о роли OGT в организме. «Теперь, когда мы можем удалить ген OGT, сохранив клетки живыми, мы можем попробовать восстановить только части OGT, чтобы узнать больше о том, как OGT работает для поддержания жизни клеток», – говорит Майерс.
Ли говорит, что его новое открытие может позволить исследователям продолжить изучение роли OGT и потенциально найти терапевтические мишени для борьбы с аномальной активностью. «В будущем, мы надеемся, наше исследование поможет пролить свет на проблемы, связанные с дисфункцией OGT при раке и других заболеваниях», – говорит Ли.
«Многие заболевания связаны с функцией OGT», – говорит преподаватель LJI Сян Ли, доктор философии, который был первым автором нового исследования. «Например, многие исследования показали аномальную функцию OGT при раке, диабете и сердечно-сосудистых заболеваниях».
Новое исследование, проведенное под руководством Ли и в соавторстве с профессором LJI Анджаной Рао, доктором философии, и доцентом LJI Сэмюэлем Майерсом, доктором философии, впервые показывает, что OGT контролирует выживание клеток, регулируя критически важный белок mTOR.
Клетки полагаются на mTOR, чтобы поддерживать работу своих митохондриальных энергетических установок. Без функционального mTOR клетки не справляются почти со всеми своими основными функциями, от синтеза белка до пролиферации клеток. Неудивительно, что дисфункция mTOR также является отличительной чертой многих заболеваний.
«ОГТ важен для каждой клетки организма», – объясняет Майерс. «Благодаря этому исследованию у нас теперь есть модель, которую мы можем использовать для будущих исследований того, что делает каждая часть OGT».
Единственный и неповторимый OGT
OGT – это фермент, называемый трансферазой. Этот тип фермента выполняет работу, называемую гликозилированием, когда молекулы сахара добавляются к недавно синтезированным белкам. OGT уникальна среди трансфераз, поскольку она модифицирует белки внутри клеток, а не белки на поверхности клетки или секретируемые белки. На самом деле, работа OGT по гликозилированию настолько важна, что без нее эмбриональные клетки погибнут. Но до сих пор ученые не знали, почему.
Как объясняет Майерс, именно важная природа OGT делает его таким трудным для изучения. Обычно ученые изучают ферменты и другие белки, развивая клетки, в которых отсутствуют гены этих белков. Они генерируют новые, нефункциональные клетки, а затем исследуют, как все пошло не так.
Но в случае с OGT такой эксперимент закончится, даже не начавшись. Поскольку существует только один OGT, ученые не смогли удалить его или уменьшить его функцию, не убив те самые клетки, которые им нужно изучить. «Мы знали, что OGT необходим для выживания клеток, но более 20 лет мы не знали почему», – говорит Ли.
В новом исследовании Ли удалось обойти эту проблему, используя индуцибельную систему для удаления гена OGT. Он работал с эмбриональными стволовыми клетками мыши, а затем использовал индуцибельную версию белка, известного как Cre, для удаления гена OGT. Это означало, что клетки могли нормально расти, пока ученые не решили активировать процесс, после чего клетки, потерявшие ген OGT, переставали пролиферировать и умирали.
Команда обнаружила, что удаление гена OGT привело к аномальному увеличению функции ключевого фермента mTOR, регулирующего клеточный метаболизм. Удаление гена OGT также стимулировало важный, но потенциально опасный процесс в клетках, называемый митохондриальным окислительным фосфорилированием.
Почему митохондриальное окислительное фосфорилирование так опасно? Этот процесс в клетках является частью тонкого пути, который позволяет клеткам производить АТФ (молекулу, которая питает клетку). АТФ может производиться как путем гликолиза, так и путем митохондриального окислительного фосфорилирования, и нарушение этого баланса может иметь разрушительные последствия для клеток.
К счастью, OGT защищает активность mTOR и митохондриальный фитнес, обеспечивая бесперебойный синтез белка и регулируя уровень аминокислот в клетках. Важно отметить, что исследователи обнаружили такую же защитную роль OGT в CD8+ Т-клетках, что позволяет предположить, что фермент работает одинаково во всех типах клеток млекопитающих, а не только в эмбриональных стволовых клетках мыши.
Исследователи на помощь
Даже дисфункциональные клетки, лишенные OGT, не были обречены навсегда. Ученые смогли «спасти» дисфункциональные клетки с помощью новой передовой технологии редактирования генов CRISPR/Cas9. Задавшись вопросом, восстановит ли второй ген в эмбриональных стволовых клетках мыши рост клеток, лишенных OGT, Ли обнаружил, что mTOR и окислительное фосфорилирование митохондрий гиперактивированы в клетках, лишенных OGT, и клетки можно спасти, заглушив их функцию.
Это хорошая новость для ученых, которые надеются узнать больше о роли OGT в организме. «Теперь, когда мы можем удалить ген OGT, сохранив клетки живыми, мы можем попробовать восстановить только части OGT, чтобы узнать больше о том, как OGT работает для поддержания жизни клеток», – говорит Майерс.
Ли говорит, что его новое открытие может позволить исследователям продолжить изучение роли OGT и потенциально найти терапевтические мишени для борьбы с аномальной активностью. «В будущем, мы надеемся, наше исследование поможет пролить свет на проблемы, связанные с дисфункцией OGT при раке и других заболеваниях», – говорит Ли.
