Рэнди Шекман вместе с коллегой Питером Новиком на примере пекарских дрожжей решил исследовать гены, регулирующие внутриклеточный транспорт. Из сотен штаммов дрожжей ученые выбрали такие, которые нормально размножаются при комнатной температуре, но при небольшом нагревании начинают накапливать генетические мутации. Потом отобрали мутанты с поломками в механизмах везикулярного транспорта. «Такие вещи можно хорошо увидеть с помощью электронного микроскопа: в специализированных отделах клеток скапливаются заторы из пузырьков», — рассказывает сотрудник Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова член-корреспондент РАН Лев Магазанник. В конце концов ученым удалось определить 23 транспортных гена, которые они разделили на три группы в зависимости от того, в каких отделах клетки возникали пробки из везикул при мутациях. Одни гены отвечали за доставку веществ в эндоплазматический ретикулум — мембранную сеточку внутри клетки, где происходит биосинтез белков. Другие регулировали перемещение веществ в аппарате Гольджи — целой системе мембранных мешочков: там происходит созревание синтезированных белков. Третьи регулировали доставку молекул на поверхность клетки. Чем не транспортная служба, обеспечивающая работу целой клеточной фабрики? Позже Рэнди Шекман пошел еще дальше и сумел понять, как происходит «сборка грузовиков» для доставки веществ — обнаружил промежуточные стадии формирования везикул и связал их с работой конкретных генов. Но это было только начало. Ученым предстояло подобраться еще ближе к работе клеточных машин.
Куда разгружать?
«Один из главных уроков в биохимии, клеточной биологии и молекулярной медицине заключается в том, что, когда мы рассматриваем работу белков внутри клетки, они в определенном смысле ведут себя как механические устройства, — рассказывает другой нынешний лауреат, Джеймс Ротман, возглавляющий кафедру клеточной биологии в Йельском университете. — Это просто поразительно... Когда мы изучаем правила химии, электроны и тому подобное, то оперируем атомами и молекулами. Но, достигнув уровня наноразмеров, выясняем, что все эти объекты работают как механизмы». Несколькими годами позже, чем Шекман, он в лаборатории Стэнфордского университета попытался воссоздать процесс транспортировки в клетках in vitro, в пробирке. Ему хотелось понять, почему клеточный транспорт приходит на разгрузку точно в предназначенный для него порт. Для этого ученые заразили клетки млекопитающих вирусом везикулярного стоматита. Инфицированные клетки производили большие количества вирусного белка VSV-G. Джеймс Ротман проследил путь этого белка по мембранным мешочкам аппарата Гольджи и выделил участвующие в процессе белки. Первыми были выделены два белка — NSF и SNAP. Поразительно, но эти протеины из клеток млекопитающих соответствовали двум генам транспортировки, ранее идентифицированным Рэнди Шекманом в ДНК пекарских дрожжей. Так стало ясно, что ученым удалось обнаружить универсальную и в эволюционном смысле очень древнюю систему транспорта веществ, общую для клеток млекопитающих и грибов.
Ротман продолжал изучать белки, участвующие в процессе стыковки везикул с мембранами — «докинга». В ткани мозга, в синапсах — областях контакта между нейронами — еще раньше было обнаружено три белка с неизвестными функциями. Оказалось, один из них находится на поверхности везикул, а два других — в клеточных мембранах. Ученый выдвинул гипотезу: при клеточной транспортировке соответствующие белки везикул и мембран, которые для них являются мишенями, должны подходить друг другу как две половинки застежки-молнии. Они взаимодействуют между собой по принципу ключ — замок. Сейчас эти вещи настолько вошли в плоть и кровь науки, что многие воспринимают их как нечто само собой разумеющееся. Однако тогда, чтобы доказать свою гипотезу, Джеймсу Ротману пришлось воспроизвести этот процесс в пробирке. Выяснилось, что он был прав — везикулы действительно взаимодействовали с мембранами. Так стало ясно, каким образом клеточные «грузовики» находят мембранные мишени. Поскольку вариантов таких белков много и они взаимодействуют друг с другом только в специфических комбинациях, служба доставки работает безошибочно. Ученые выяснили, что этот механизм действует и внутри клетки, и когда везикула направляется к внешней мембране, чтобы выпустить наружу свое содержимое.
