Почему человеческому эмбриону требуются месяцы на процессы, которые у мыши проходят за считаные недели? Учёные нашли возможный ответ на уровне клеточной биохимии. Белки в человеческих клетках в среднем разрушаются заметно медленнее, а вместе с ними медленнее идут и процессы, задающие темп развития организма.
К такому выводу пришла международная команда под руководством исследователей EMBL. Результаты опубликованы в журнале Developmental Cell . Авторы сравнили скорость обновления тысяч белков в клетках человека и мыши и обнаружили систематическую разницу между двумя видами.
Исследователи работали с клетками пресомитной мезодермы. На ранних стадиях развития из такой ткани формируются сегменты тела, связанные с будущим позвоночником, мышцами и другими структурами. Процесс контролируют так называемые часы сегментации, молекулярный механизм, который периодически включает и выключает определённые гены.
У мыши подобные биологические часы работают значительно быстрее. Один цикл занимает примерно два-три часа, тогда как в человеческих клетках тот же процесс растягивается примерно вдвое дольше. Ранее учёные уже замечали, что отдельные молекулярные реакции у человека идут медленнее, но оставалось непонятно, касается ли разница нескольких специальных белков или всей клеточной системы.
Новая работа показала гораздо более масштабную картину. Команда измерила обновление примерно 5000 белков и смогла напрямую сопоставить около 4000 родственных белков человека и мыши. Человеческие белки в среднем сохранялись в клетках дольше и разрушались медленнее.
Разница не ограничивалась отдельной группой белков или одним механизмом переработки клеточных компонентов. Более долгую жизнь демонстрировали белки, которые разрушаются через протеасомы, а также молекулы, перерабатываемые с участием лизосом. Авторы пришли к выводу, что медленный белковый обмен может быть общей особенностью человеческих клеток.
Особенно убедительный результат исследователи получили, когда попытались искусственно изменить скорость работы мышиных клеток. Учёные снизили интенсивность гликолиза, одного из основных путей получения клеткой энергии. После замедления метаболизма белки мыши начали разрушаться медленнее, а темп работы часов сегментации и клеточной дифференцировки тоже снизился.
Фактически мышиные клетки частично перешли на более «человеческий» ритм. Такой эксперимент указывает, что связь между обменом веществ, сроком жизни белков и скоростью развития может быть причинной, а не простой статистической закономерностью.
Гипотеза появилась не на пустом месте. Несколько лет назад та же исследовательская группа изучала белок HES7, который участвует в работе эмбриональных часов. Учёные обнаружили, что последовательность самого гена не объясняет большую разницу между человеком и мышью. Гораздо сильнее на скорость цикла влияла внутренняя среда клетки и темп биохимических реакций.
Новая работа расширила прежнее наблюдение с одного механизма на тысячи белков. Полученные данные позволяют предположить, что разные виды могут жить по разным биологическим часам не только из-за особенностей отдельных генов, но и благодаря общей скорости клеточного обмена.
Почти одновременно другая исследовательская группа получила похожие результаты на нейральных клетках-предшественниках человека и мыши. Учёные также обнаружили более медленное разрушение белков в человеческих клетках и показали, что подавление активности протеасомы у мыши тормозит развитие нервных клеток. Совпадение результатов в разных клеточных моделях усиливает гипотезу о том, что скорость белкового обмена влияет на общий темп развития организма.
Авторы пока не называют найденный механизм единственной причиной того, почему человек развивается дольше мыши. Скорость эмбрионального развития зависит от множества процессов, а эксперименты проводились на отдельных типах клеток. Тем не менее результаты предлагают довольно фундаментальное объяснение межвидовых различий. Если молекулы внутри человеческих клеток в среднем живут дольше и медленнее сменяют друг друга, биологические процессы, построенные на подобных циклах, тоже могут идти медленнее.
Исследование фактически связывает три уровня одной цепи. Метаболизм влияет на скорость разрушения белков, срок жизни белков меняет темп клеточных реакций, а клеточные реакции задают скорость развития тканей. Такая модель может помочь объяснить, почему организмы разных видов при похожем наборе генов проходят одни и те же этапы развития с совершенно разной скоростью.