Группа исследователей под руководством профессора Хань Сяоцзюня из Института химии и химических технологий Харбинского политехнического университета (ХПУ), члена Государственной ключевой лаборатории городских и сельских водных ресурсов и водной среды, добилась значительного прогресса в области создания искусственных клеток. Учёным удалось решить задачу использования сигнальной трансдукции рецепторов, сопряжённых с G-белком (GPCR), для регуляции клеточного метаболизма. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications в статье «Искусственная клетка, способная к сигнальной трансдукции, опосредованной ADRB2, для регуляции гликогенолиза». Данная работа закладывает прочный фундамент для создания автономных искусственных клеток.
Клеточная сигнальная трансдукция является ключевым механизмом взаимодействия клетки с внешней средой. В настоящее время исследования передачи сигналов в области искусственных клеток во многом полагаются на синтетические рецепторы, что затрудняет генерацию вторичных мессенджеров внутри клетки и последующую регуляцию метаболических путей. GPCR-рецепторы представляют собой самое большое семейство мембранных рецепторов и играют решающую роль в передаче сигналов гормонов, нейротрансмиттеров и других веществ. Однако реконструкция полного пути передачи сигналов GPCR в искусственных клетках для управления нисходящим метаболизмом оставалась серьёзным вызовом.
Для решения этой задачи Хань Сяоцзюнь с коллективом исследователей реконструировал в искусственной клетке β2-адренорецептор (ADRB2), α-субъединицу Gs-белка (Gsα) и аденилатциклазу V (ADCY5), построив таким образом полный путь сигнальной трансдукции. Когда внеклеточный первичный мессенджер изопреналин (ISO) связывается с ADRB2, происходит активация Gsα, что, в свою очередь, стимулирует ADCY5 производить вторичный посредник – циклический аденозинмонофосфат (cAMP). Затем cAMP активирует протеинкиназу A (PKA), запуская каскад фосфорилирования фосфорилазкиназы (PhK) и гликогенфосфорилазы (PYGM), которые необходимы для метаболизма гликогенолиза. В итоге это приводит к расщеплению гликогена до глюкозо-1-фосфата (G-1-P). Далее под действием ферментов происходит образование 6-фосфоглюконолактона и NADPH. На всём протяжении процесса сигнальной трансдукции искусственная клетка демонстрирует ступенчатое усиление сигнала: от ISO к cAMP, затем к G-1-P и 6-фосфоглюконолактону. Данное исследование впервые реализовало в искусственной клетке полную опосредованную GPCR сигнальную трансдукцию и метаболическую регуляцию. Это закладывает прочную основу для разработки искусственных клеток, обладающих способностями к автономному восприятию, реагированию и саморегуляции.
Рис. а-g: Процесс сигнальной трансдукции для регуляции внутриклеточного метаболизма гликогенолиза искусственной клетки, содержащей ADRB2
Харбинский политехнический университет является единственной организацией-корреспондентом по данной статье. Профессор Хань Сяоцзюнь и младший научный сотрудник Ли Шубинь из Института химии и химических технологий ХПУ являются ответственными авторами статьи. Аспирант Лю Яньхао – первый автор статьи. Младшие научные сотрудники Чжан Сянсян и Чжао Цзинцзин, а также аспиранты Чжао Вань, Чжао Инмин и Жэнь Юншо приняли участие в исследовательской работе.
Исследование выполнено при поддержке грантов Государственного фонда естественных наук Китая и Ключевой программы Фонда естественных наук провинции Хэйлунцзян.