Глюкоза поучаствовала в регуляции сплайсинга

Американские биологи обнаружили у глюкозы новую функцию: помимо участия в энергеническом обмене клетки, глюкоза способна регулировать сплайсинг матричных РНК. Биологи выяснили это, изучая развитие клеток эпидермиса. Они показали, что глюкоза способна взаимодействовать с белком-регулятором сплайсинга и влиять на его конформацию. После cвязывания с глюкозой, этот белок запускает программу дифференцировки клеток эпителия. Работа опубликована в журнале Cell.

Основная роль глюкозы в клетке — энергетическая: ее метаболизм обеспечивает клетку необходимым количеством молекул АТФ. Однако в последнее время накопилось много данных, которые указывают на то, что у глюкозы в клетке есть и другие функции.

Так, недавнее исследование показало, что глюкоза накапливается во многих тканях, закончивших свою дифференцировку и развитие, — в том числе в эпидермисе. При этом в клетках, составляющих эти ткани, не наблюдается увеличения уровня метаболизма. Все это указывает на то, что глюкоза может выполнять в клетке другие функции, помимо основной — энергетической.

Разобраться с тем, какую роль выполняет глюкоза при дифференцировке клеток, взялась группа ученых под руководством Поля Хавари (Paul A. Khavari) из Стэнфордского университета. Для этого они исследовали клетки эпидермиса в течение процесса созревания, так как известно, что глюкоза им для этого необходима.

Первым делом ученые решили найти внутриклеточные белки, которые взаимодействуют с глюкозой. С помощью методов аффинной хроматографии и масс-спектрометрии — РНК-хеликаза, использующая энергию молекул АТФ для расплетания и ремоделирования молекул РНК.

Чтобы выяснить, какую роль играет DDX21 в клетках эпидермиса во время дифференцировки, исследователи удалили ген, кодирующий DDX21, в культуре эпидермальных клеток in vitro и в тканевом органоиде. Удаление гена привело к тому, что в клетках уменьшилась экспрессия генов, отвечающих за дифференцировку, вследствие чего созревание клеток прекратилось.

Установив, что белок DDX21 имеет критическое значение в созревании эпидермальных клеток, биологи детально исследовали взаимодействие DDX21 и глюкозы. Добавив в культуру клеток глюкозу в концентрации, которая встречается в зрелых эпидермальных клетках, они увидели, что связывание белка DDX21 с АТФ резко упало. Это говорит о том, что глюкоза взаимодействует с тем же доменом, что и АТФ — АТФ-связывающим доменом DDX21. Ученые также подтвердили эти выводы экспериментально (с помощью микромасштабного термофореза) и биоинформатически (с помощью молекулярного докинга).

После этого исследователи провели несколько экспериментов с мутантными вариантами белка DDX21, чтобы узнать, как глюкоза влияет на пространственную структуру DDX21.

В норме этот белок функционирует в димерной конформации, образуя комплекс с таким же белком DDX21. Для своего эксперимента авторы использовали мутантные варианты DDX21, содержащие «поломанные» домены димеризации. Оказалось, что глюкоза, связываясь с DDX21, блокирует его димеризацию — таким образом выключая его хеликазную активность.

Следующий эксперимент с мутантными белками DDX21 состоял в том, что они с помощью генного редактирования изменили структуру АТФ-связывающего домена DDX21, заблокировав таким образом его связывание с АТФ. В культуре таких клеткок наблюдалась нормальная дифференцировка, что говорит о том, что для участия в этом процессе белку DDX21 не нужна АТФ, и что ему необходима только глюкоза.

Затем с помощью протеомики биологи определили белки, с которыми взаимодействует DDX21 в культурах клеток с нормальным количеством глюкозы и в культуре клеток с дефицитом глюкозы. Они определили, что в культуре с нормальным содержанием глюкозы белок DDX21 взаимодействует с большим количеством факторов сплайсинга — процесса созревания матричной РНК, при котором из мРНК вырезаются интроны (некодирующие, «мусорные» участки гена) и сшиваются экзоны (кодирующие, смысловые участки гена).

Установив, что белок DDX21 участвует в сплайсинге, ученые стали искать гены, матричную РНК которых модифицирует DDX21. Для этого они использовали технологию CLIP-seq, позволяющую определить, с какими участками ДНК связываются исследуемые белки. Оказалось, что белок DDX21 связывается с интронами генов, необходимых для дифференцировки клеток эпидермиса, таких как GRHL1-3, KLF4 и OVOL1.

Таким образом, впервые удалось продемонстрировать, что глюкоза является регулятором процесса альтернативного сплайсинга в клетках эпидермиса. При связывании с белком DDX21 она блокирует связывание АТФ и меняет конформацию белка с димерной на мономерную. В такой форме белок DDX21 начинает выполнять роль фактора сплайсинга, собирая вокруг себя большой комплекс необходимых для этого процесса белков. В составе этого комплекса DDX21 осуществляет сплайсинг генов, отвечающих за дифференцировку клеток эпителия.

Ученые уже не первый раз встречаются с необычными функциями, которые выполняет глюкоза. Так, одна группа исследователей показала, что глюкоза способна отпугивать самок тараканов при спаривании; другая — что сахароза (в составе которой находится глюкоза) способна влиять на поведение муравьев.