Это последнее из нескольких важных открытий профессора наук о животных и птицах Университета Мэриленда Икбала Хамзы и его группы, которые заполняют ключевые части головоломки о том, как животные расставляют приоритеты и распределяют свою потребность в геме и безопасно перемещают его в организме.
Заключая токсичное железо в защитную молекулярную клетку, гем позволяет организмам использовать жизненно важную способность железа связываться с кислородом и другими газами.
Гем наиболее известен как ключевой компонент гемоглобина, белка эритроцитов, переносящих кислород. Однако гем в форме других гемопротеинов также участвует в других важных биологических процессах, таких как передача энергии внутри клеток, формирование мышц, иммунная система и функции циркадных (внутренних) часов.
Таким образом, поддержание гомеостатического уровня гема чрезвычайно важно для людей и других животных.
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Cell Biology, Хамза и соавторы UMD и NIH, показывают, как органы аскариды (C. elegans) сообщают о своем статусе гема с помощью ранее неизвестной системы, состоящей из двух компонентов. Команда определила первый компонент как HRG-7, фермент, секретируемый кишечником червя, который передает уровни гема в кишечнике другим тканям. Они обнаружили, что передача сигналов гема HRG-7 реципрокно регулируется вторым компонентом нервной системы, сигнальным веществом, называемым BMP-5, которое «рукопожатие» с белком HRG-7 обеспечивает двустороннюю передачу информации о геме. уровни между кишечником и другими тканями.
«Давно существовала парадигма, согласно которой клетки внутри животного живут и умирают вместе со своей гемовой нагрузкой и не переносят гем между клетками и органами», – сказал Хамза, профессор Колледжа сельского хозяйства и природных ресурсов UMD. Согласно этой парадигме, ткани удовлетворяют свои потребности в геме исключительно за счет выработки его внутри отдельных клеток. "Эти клетки используют железо, полученное из окружающей среды или полученное в результате распада гемоглобина или других гемопротеинов, для создания новых молекул гема с нуля посредством сложного восьмиступенчатого процесса синтеза."
Тем не менее, Хамза и его команда говорят, что их новые открытия межтканевой коммуникации уровней гема у простого круглого червя, взятые вместе с недавними открытиями других исследователей, демонстрируют, что сам гем может действовать как сигнальная молекула, определяющая судьбу определенных типов клеток. – предполагают, что животные поддерживают оптимальные уровни гема в тканях за счет взаимодействия тканей и повторного присвоения гема между ними. Фактически, органы поддерживают гомеостаз гема, используя как внутриклеточный синтез, так и перенос гема из окружающей среды из соседних клеток и тканей.
В своей статье исследователи отмечают, что для каждого из компонентов этого недавно открытого HRG-7-опосредованного сигнального пути есть доказательства того, что гомологичные компоненты существуют у людей и других позвоночных. "Возможно, что аналогичный… у людей может существовать сигнальный путь, регулирующий метаболизм железа и гема », – говорят они.
История открытий гема
Этот последний вывод основан на ряде предыдущих исследований, проведенных Хамзой. Это включает исследования, которые показали, что круглые черви используют белки HRG-1 для процесса транспортировки в свой кишечник гема, полученного из бактерий, попавших в организм червей из почвы, в которой они живут. В статье 2013 года было показано, что этот же белок-транспортер HRG1 позволяет людям перерабатывать более 5 миллионов эритроцитов в секунду в селезенке и печени. В статье 2011 года в Cell, Хамза и его коллеги показали, что у круглых червей есть белок HRG-3, используемый в качестве межклеточного шаперона гема при транспортировке гема от матери к ее эмбрионам.
Хамза впервые начал попытки раскрыть секреты переноса гема в 2003 году. После краткого и безуспешного изучения вопроса о белках, несущих гем, на традиционных моделях дрожжей и мышей, Хамза переключился на C. elegans, животное, которое не производит гем, но нуждается в нем для выживания, у которого даже нет крови, но у него есть ряд генов, необходимых для кроветворения у людей.
По словам Хамзы и его коллег, эти «бескровные черви» имеют множество преимуществ для изучения коммуникации и транспорта гема. К ним относятся способность контролировать поглощение гема, манипулировать как внутриклеточными уровнями гема, так и экспрессией генов транспортера и сигнальных белков.
И, поскольку скин C. elegans прозрачен, использование флуоресцентных индикаторов и микроскопов позволяет исследователям контролировать уровни гема, транспорт гема и передачу гема по всему живому животному.