Nové poznatky o proteínovom komplexe ARP2/3 v bunkách rastlín ukazujú, ako príroda využíva v evolúcii existujúce nástroje na odlišné účely.
Obrázok vľavo: Aktínový cytoskelet (modrou) tvorí v rastlinných bunkách hustú sieť, ktorá má mnoho funkcií. Napríklad peroxizómy (oranžovou) podobne ako iné organely sa pomocou molekulárnych motorov myozínov pohybujú po aktínových vláknach ako po bunkovej „železničnej sieti“. Obrázok vpravo: Komplex ARP2/3 na peroxizómoch v pokožkových bunkách rastlín arábkovky Thalovej (Arabidopsis thaliana). Štruktúry sú označené fluorescenčnými proteínmi. Tie slúžia ako značky umožňujúce detekciu skúmaných štruktúr v živých bunkách. Na snímke z konfokálneho mikroskopu je komplex ARP2/3 zvýraznený zelenou. Fialovou farbou sú značené peroxizómy. Jan Martinek, Katedra experimentálnej biológie rastlín PřF UK. Zdroj: PřF UK
Vedci z Katedry experimentálnej biológie rastlín Prírodovedeckej fakulty Univerzity Karlovej (PřF UK) publikovali v prestížnom vedeckom časopise Nature Plants výsledky svojho výskumu, ktorý prináša nové poznatky o funkcii proteínového komplexu ARP2/3 v rastlinných bunkách. Ukázalo sa, že rastlinné bunky dokážu využívať tento komponent odlišným spôsobom než bunky živočíšne. Je významný pre bunkovú recykláciu peroxizómov. Skúmaný proteínový komplex sa skladá zo siedmich podjednotiek a je dôležitý pre formovanie „bunkového lešenia“, aktínového cytoskeletu.
Komplex ARP2/3
V živočíšnych bunkách je ARP2/3 zodpovedný napríklad za tvorbu membránových výčnelkov, panôžok, a teda je nevyhnutný na pohyb buniek. Rastlinné bunky sú však obalené pevnou bunkovou stenou a panôžky teda vytvárať nemôžu, sú nepohyblivé a v rastlinnom tele zostávajú stále na rovnakom mieste. Napriek tomu v nich nájdeme evolučne konzervovaný komplex ARP2/3. Je teda zrejmé, že je v rastlinných bunkách význačný, pričom svoju úlohu plní v iných procesoch než pri živočíchoch.
Autofágia a pexofágia
V predchádzajúcich štúdiách sa ukázalo, že komplex ARP2/3 má úlohu v koordinácii rastu a tvarovaní rastlinných buniek, teraz však vedci objavili jeho celkom novú úlohu. Táto úloha súvisí so zvláštnou formou autofágie, takzvanou pexofágiou. Čo znamenajú tieto slová? Autofágia (grécky sebapojedanie) je proces, ktorým sa bunka zbavuje starých a poškodených organel a recykluje ich na základné chemické komponenty, ktoré potom môže znova použiť. Pexofágia je potom označenie pre také recyklovanie peroxizómov, teda organel, ktoré majú v bunke úlohu v detoxikácii kyslíkových radikálov, ale napríklad aj v metabolizme mastných kyselín.
Recyklovanie peroxizómov
Ako také recyklovanie v praxi vyzerá? Ak je peroxizóm už starý a poškodený, bunka ho obalí dvojitou membránou, takzvaným autofagozómom. Takto zabalený ho premiestni do vakuoly, kde ho v kyslom prostredí rozpustí tráviacimi enzýmami. Práve v procese obaľovania peroxizómu membránou autofagozómu zohráva úlohu komplex ARP2/3. Vedci dokázali, že v mutantoch, ktoré majú komplex ARP2/3 nefunkčný (chýba niektorá zo siedmich podjednotiek) alebo neaktívny (chýba jeho aktivátor), sa v bunkách peroxizómy hromadia, pretože ich bunka nie je schopná dobre odbúravať. Zároveň pomocou konfokálnej mikroskopie ukázali, ako komplex ARP2/3 vytvára na peroxizóme doménu práve v mieste, kde nasadá autofagozóm, aby peroxizóm pohltil.
Spolupráca s vedcami zo Spojeného kráľovstva
Tento objav, na ktorom sa podieľali vedci z Ústavu experimentálnej botaniky AV ČR a vedci zo Spojeného kráľovstva, nielen rozširuje naše porozumenie fungovania komplexu ARP2/3 a autofágie v rastlinných bunkách, ale zároveň odhaľuje, ako rôzne skupiny organizmov môžu využívať komplex ARP2/3 pre svoje odlišné potreby. Kým pri živočíchoch je remodelácia membrán pomocou komplexu ARP2/3 dôležitá napríklad pri ich pohybe, pri nepohyblivých rastlinných bunkách našiel úlohu v remodelácii membrán pri procese autofágie. To ukazuje úžasnú schopnosť prírody využívať v evolúcii existujúce nástroje na odlišné účely.
Pozorovanie umožnili špeciálne mikroskopy
Počas výskumu použil výskumný tím RNDr. Kateřiny Schwarzerovej, PhD., niekoľko pokročilých mikroskopických metód. Vzhľadom na veľmi malú veľkosť peroxizómov, ktoré sú veľké asi 1 mikrometer, a rýchlosť, akou sa peroxizómy v rastlinných bunkách pohybujú, bol pre pozorovanie komplexu ARP2/3 na peroxizómoch použitý špeciálny mikroskop s pozorovacím módom TIRF. Ten umožňuje sledovať veľmi rýchle procesy v živých bunkách. V spolupráci s Ing. Kateřinou Malínskou, PhD., z Mikroskopického pracoviska Ústavu experimentálnej botaniky AV ČR, v. v. i., využili vedci aj mikroskop s Airyscan detektorom, ktorý umožňuje lepšie rozlíšenie, než je dosiahnuteľné svetelnou mikroskopiou.
„Keď sme pod mikroskopom po prvý raz videli bodky, ktoré komplex ARP2/3 v bunkách robí, očakávali sme, že budú označovať miesta vetvenia aktínového cytoskeletu. Preto sme boli prekvapení, keď kolokalizačná štúdia ukázala, že sú v skutočnosti spojené s peroxizómami, čo bolo niečo celkom iné, než čo vieme o lokalizácii komplexu napríklad pri živočíchoch. Zároveň to nedávalo zmysel vzhľadom na známu funkciu komplexu ARP2/3 v tvarovaní rastlinných buniek. Až po niekoľkých rokoch detektívnej práce sa nám podarilo zistiť, že táto prekvapujúca a zdanlivo nezmyselná lokalizácia komplexu ARP2/3 na peroxizómoch je nevyhnutná pre jeho celkom novú funkciu v degradácii peroxizómov pomocou autofágie,“ povedal Mgr. Jan Martinek, prvý autor publikácie v Nature Plants.
Zdroj: PřF UK
(zh)
