Белок кальмара позволил человеческим клеткам окраситься по команде

Американские ученые научили клетки человеческой почки производить белок кальмара. Это придало клеткам новые свойства: теперь они способны по сигналу (роль которого играет солевой раствор) из бесцветных становиться непрозрачными. Это новый метод прижизненного окрашивания клеток, который может прийти на смену традиционным флуоресцентным белкам. А заодно с его помощью мы можем больше узнать о том, какими еще механизмами пользуются кальмары для устрашения или маскировки. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Хотя человек в целом непрозрачный, большинство наших клеток сами по себе не окрашены. И для работы с клеточными культурами или органоидами (микроскопическими аналогами органов) это проблема: чтобы различить типы клеток, приходится заставлять их экспрессировать какие-нибудь чужеродные белки или обрабатывать красителями. К сожалению, большинство методов окрашивания убивают клетку, а для многих задач полезно видеть, как клетки распределены по живой и работающей культуре или органу.

Группа исследователей под руководством Алона Городецкого (Alon Gorodetsky) из Калифорнийского университета решила позаимствовать механизм окрашивания у самки кальмара Doryteuthis opalescens. Помимо того, что она умеет менять цвет кожи в широком диапазоне, она несет на своем теле прозрачную полоску, которая в случае опасности становится белой и отпугивает противника.

Как работает этот механизм, строго говоря, до сих пор неизвестно. Но известно, что отвечает за него слой клеток-лейкофоров, который расположен между поверхностным слоем кожи и мышцами. Эти клетки заполнены органеллами-лейкосомами, внутри которых упакованы белки рефлектины. Лейкофоры реагируют на разные стимулы — в том числе, на изменение концентрации солей и введение нейромедиатора ацетилхолина. При этом рефлектины меняют свою структуру и начинают отражать больше света, а клетка и вслед за ней вся полоска на теле кальмара становится непрозрачной.

В качестве тестовой культуры клеток Городецкий и коллеги выбрали клетки человеческой почки, поскольку они хорошо экспрессируют чужеродные белки. В них встроили вектор, содержащий ген белка рефлектина А1. Несмотря на то, что у кальмара рефлектин находится в специальных органеллах, он склонен к самосборке. Поэтому и в человеческих клетках через сутки после трансфекции авторы работы обнаружили характерные гранулы — скопления рефлектина. Это свойство — собираться в комки — оказалось уникальным для этого типа белков: когда те же клетки заставили производить красный флуоресцентый белок, он распределился равномерно по всей клетке.

Затем авторы работы пронаблюдали за клетками с помощью фазово-контрастной микроскопии (она показывает, как изменяется фаза света, отраженного от предмета) и обнаружили, что экспрессия рефлектина не проходит бесследно. В такой микроскоп клетки, которые успели произвести рефлектин, выглядят более контрастными на фоне субстрата. И особенно хорошо в них заметны отдельные гранулы — судя по всему, скопления рефлектина. Это означает, что клетки стали по-другому отражать свет после приобретения нового белка.

После того, как исследователи охарактеризовали новые оптические свойства клеток, они попробовали изменить их цвет с помощью стимула. В его роли выступила соль. Ее концентрацию в растворе ученые повысили почти в два раза, и после этого клетки из прозрачных превратились в белые. Иными словами, гранулы рефлектина перестроились так, что клетки стали меньше света пропускать сквозь себя, а больше — отражать и рассеивать.

У нового метода есть немало потенциальных применений. Во-первых, управляя изменением цвета клеток, можно рассматривать расположение конкретных клеточных типах в культуре in vitro или органоидах, а может быть, удастся и внутри живых химерных организмов. Во-вторых, авторы работы заметили, что рефлектины мигрируют по клетке, часто собираясь около мембраны. Это значит, что с их помощью можно окрашивать внеклеточные структуры — например, мембранные пузырьки (экзосомы), которые в последнее время активно исследуют и которые сложно разглядеть. Наконец, встраивание чужеродных белков в человеческие клетки может помочь нам разобраться в том, как именно устроено изменение окраски у кальмаров, потому что настоящие лейкофоры очень непросто вырастить в культуре.

Раньше ученым приходилось идти на неожиданные уловки, чтобы сделать ткани животных прозрачными — например, мы писали о том, как исследователи имплантировали прозрачную кость в череп мышей, чтобы наблюдать за работой их мозга. Также мы рассказывали о том, как ученые сварили прозрачную древесину. А о том, как еще можно добиться прозрачности (причем не только в оптическом диапазоне) читайте в нашем материале «Анатомия шапки-невидимки».

Полина Лосева