Ученые впервые наблюдали коллаген внутри живых клеток в неожиданном жидком состоянии, что ставит под сомнение представление о жесткой структуре, которая долгое время ассоциировалась с самым распространенным белком в организме. Источник: Shutterstock

Новое исследование ставит под сомнение существовавшее на протяжении 60 лет представление о главном структурном элементе организма, открывая новые возможности для лечения фиброза и рака.

Более полувека коллаген изображали в виде длинного жесткого молекулярного «кабеля» — структурного белка, который придает прочность коже, костям, сухожилиям и органам. Но это привычное изображение может отражать только то, во что превращается коллаген после выхода из клетки, а не то, как он существует в процессе синтеза.

Используя визуализацию живых клеток с высоким разрешением, исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне впервые увидели коллаген в совершенно иной форме: в виде мягких, похожих на жидкость капель, а не жестких стержней.

Исследование, опубликованное в Journal of Cell Biology, позволило впервые увидеть самый распространенный белок в организме человека в его естественном внутриклеточном состоянии. Коллаген составляет примерно треть от общей массы белков в организме, однако вопрос о том, как клетки безопасно упаковывают и транспортируют такую крупную структурную молекулу, остается загадкой.

«Внутри клетки коллагены не являются жесткими молекулами, как считалось ранее. На самом деле они очень гибкие и принимают форму жидкого конденсата, подобно маслу в капле воды», — объясняет профессор-исследователь ICREA Вивек Малхотра, старший автор исследования, проведенного в CRG в Барселоне.

Эта жидкоподобная форма может защищать клетки от их собственных структурных механизмов. Вне клетки коллаген должен собираться в жесткие волокна, которые скрепляют ткани. Если бы тот же процесс формирования волокон происходил внутри клетки, это могло бы привести к летальному исходу. 

Клетки печени человека, демонстрирующие коллагеновые капли внутри клетки (зеленые скопления), удерживаемые на месте белком TANGO1 (пурпурный), а также внеклеточные коллагеновые волокна, образующие окружающую сеть. Ядра клеток окрашены в синий цвет. Источник: Сумья Бхаттачарья / Центр геномной регуляции

«Это еще один способ, с помощью которого клетки гарантируют, что коллаген никогда не превратится в волокнистую структуру внутри клетки, — говорит Малхотра. — Потому что если бы он превратился в волокнистую структуру, это убило бы клетку».

Это открытие также позволяет по-новому взглянуть на то, как клетки экспортируют коллаген. На протяжении десятилетий многие модели транспорта белков основывались на рецепторах и везикулах — маленьких мембранных пузырьках, которые перемещают грузы внутри клетки. Работа над этой транспортной системой в 1980-х и 1990-х годах была отмечена Нобелевской премией в 2013 году.

Малхотра и его коллеги выдвигают гипотезу «жидкостной экструзии». Согласно этой модели, коллаген перемещается из места его выработки в следующий отдел секреторного пути посредством физического процесса, схожего с капиллярным действием. Если эта гипотеза подтвердится, она может изменить представления ученых о заживлении ран, фиброзе и раке.

Загадка клеточной биологии, над которой бьются уже 60 лет

Коллаген вырабатывается внутри клеточного компартмента, называемого эндоплазматическим ретикулумом (ЭПР). Новое исследование было посвящено проколлагену 1 — форме-предшественнице, которая превращается в коллаген 1-го типа. Коллаген 1-го типа — самый распространенный коллаген в организме, на его долю приходится около 90% всего коллагена.

Давняя загадка связана с размером. Если рассмотреть очищенный коллаген под микроскопом, он выглядит как длинный жесткий стержень, который может растягиваться до 400 нанометров. Везикулы — пузырьки, которые обычно транспортируют белки от места их синтеза к внешней стороне клетки, — имеют диаметр всего от 60 до 90 нанометров.

С тех пор как более полувека назад была описана структура коллагена, клеточные биологи бьются над фундаментальным вопросом: как такая крупная молекула покидает клетку? Новое исследование предполагает, что отчасти ответ кроется в том, что коллаген рассматривали не на том этапе. Внутри клетки он еще не представляет собой жесткий стержень, знакомый по изображениям из учебников. Такая структура характерна для коллагена после того, как он покидает клетки и собирается в поддерживающие ткани волокна.

Используя визуализацию живых клеток печени человека с высоким разрешением, ученые наблюдали за звездчатыми клетками печени, которые вырабатывают коллаген и способствуют образованию рубцов при фиброзе печени. Они увидели, что коллаген собирается в маленькие капли. Эти капли сливались, разделялись и обменивались веществом с окружающей средой.

Такое поведение характерно для конденсата — концентрированного белкового компартмента, который отделяется от окружающей среды подобно каплям масла, образующимся в воде.

По словам Сумьи Бхаттачарьи, первого автора исследования, большая часть клеточной биологии сосредоточена на конденсатах в ядре и стрессовых гранулах в цитозоле. «Мы только начинаем понимать, что такое конденсаты внутри эндоплазматического ретикулума», — говорит Бхаттачарьи.

Открытие: «Я понятия не имела, к чему это приведет»

Открытие было сделано на основе микроскопических снимков, сделанных в мае 2024 года доктором Сумьей Бхаттачарьей, постдоком в лаборатории Вивека Малхотры. Бхаттачарья использовал клетки печени для изучения того, что происходит, когда фиброзные клетки увеличивают выработку коллагена.

«Я понятия не имел, к чему это приведет. Но когда мы взяли образцы, меня поразили эти яркие сферические структуры, которые невозможно не заметить», — вспоминает Бхаттачарья. 

Изображение под микроскопом, которое привело к открытию: клетки печени вырабатывают коллаген в больших количествах, а каплевидные структуры видны зеленым цветом. Фото: Сумья Бхаттачарья / Центр геномной регуляции

Первой реакцией лаборатории была осторожность. Результат, казалось, опровергал глубоко укоренившееся в клеточной биологии предположение.

«Я подумал, что это, должно быть, артефакт», — говорит Малхотра.

Затем команда в течение нескольких месяцев проверяла, не являются ли скопления коллагена внутри эндоплазматического ретикулума просто клеточным мусором. В клетках есть система контроля качества, которая выявляет неправильно свернутые белки, помогает их переработать или помечает для разрушения. Ключевую роль в этой системе играет шаперон BiP.

Если бы капли коллагена представляли собой скопления неправильно свернутых белков, исследователи ожидали бы обнаружить высокий уровень BiP. Однако в каплях содержались вспомогательные белки, в том числе шапероны, которые распознают правильно свернутый коллаген.

Роль TANGO1

Исследование также проливает свет на TANGO1 — белок, открытый лабораторией Малхотры около 20 лет назад и, как известно, необходимый для экспорта коллагена. Когда исследователи снижали уровень TANGO1, капли коллагена все равно образовывались. Однако они больше не скапливались в местах выхода из эндоплазматического ретикулума, где происходит выход веществ из компартмента, и секреция коллагена снизилась.

Этот результат позволяет предположить, что TANGO1 действует не столько как обычный рецептор для транспортировки, сколько как точка крепления, удерживающая каплю коллагена в месте экспорта. Авторы предполагают, что коллаген может покидать клетку посредством смачивания — физического процесса, при котором жидкая капля прикрепляется к выходному отверстию и проходит через него.

Малхотра предлагает два возможных физических механизма такого переноса. «Представьте, что у вас есть резиновый шарик с соплом, наполненный жидкостью. Вы сжимаете его, заставляя жидкость вытекать через это маленькое отверстие. В этом ли заключается механизм? Или жидкость поднимается за счет капиллярных сил, подобно тому, как питательные вещества поднимаются против силы тяжести в растениях за счет капиллярного эффекта?»

Модель экструзии жидкости остается гипотезой. Команда уже планирует следующие эксперименты, чтобы напрямую визуализировать механизм экспорта. Исследователи также планируют совместно с внешними партнерами разработать модель на мышах и проверить, происходит ли тот же процесс в живых тканях.

Значение для изучения фиброза и рака

Если эта модель подтвердится, она может иметь значение для изучения заболеваний, при которых клетки выделяют слишком много коллагена. К ним относятся фиброз печени, легких и кожи, а также раковые заболевания, при которых плотный матрикс, богатый коллагеном, защищает опухоль от химиотерапии и иммунной системы.

«Одна из главных проблем при лечении рака заключается в том, что клетки выделяют так много коллагенов и других белков во внеклеточный матрикс, что они скрываются за оболочкой из этих компонентов и становятся устойчивыми к химиотерапии и иммунотерапии, то есть их не видят ни химические препараты, ни иммунная система, — говорит Малхотра.

— Ученые пытаются найти способы разрушить этот тканевый цемент, и наше исследование может помочь в разработке этих стратегий», — добавляет он.

Предложенная модель указывает на возможные новые стратегии. Один из них заключается в разрушении TANGO1, чтобы предотвратить захват коллагеновых «грузов» на выходе из клетки. Другой — в растворении самого конденсата, чтобы не дать «грузу» сформироваться до выхода из клетки. Обе идеи пока находятся на стадии изучения, но они предлагают новые способы контроля самого распространенного структурного белка в организме.