Локализация синтеза белка в цитоплазме определяется его функцией и строением

В поляризованных клетках, таких как нейроны или клетки кишечного эпителия, для большинства мРНК характерна строго определенная пространственная локализация. Это позволяет контролировать выработку белков на месте. Однако в неполяризованных клетках локализацию мРНК чаще всего изучали на примере мембранных белков. Мембранные и секреторные белки в основном синтезируются в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР), но и остальная цитоплазма разделена на компартменты с помощью органелл. До сих пор не до конца понятно, влияет ли локализация синтеза белка на его количество.

Пример таких компартментов — TIS-гранулы, которые образованы РНК-связывающим белком TIS11B и взаимодействующими с ним мРНК. Белок TISIIB находится в клетке в двух состояниях — как растворимый белок цитозоля и как сеть TIS-гранул, появляющаяся после разделения фаз и переплетающаяся с ЭПР. Авторы новой работы, опубликованной в Molecular Cell, установили, какие мРНК ассоциированы с шероховатым ЭПР и TIS-гранулами, а какие транслируются в цитозоле.

Опыты проводили на неполяризованных клетках HEK293. Авторы выделили мРНК, находящиеся в трех зонах, в которых происходит трансляция — TIS-гранулах, цитозольной стороне ЭПР и цитозоле (растворимом компоненте цитоплазмы). мРНК, выделенные из каждой из трех зон, секвенировали. Чтобы оценить, отличается ли содержание отдельной мРНК в этих зонах, рассчитывали специальную метрику — компартмент-специфичная оценка локализации.

Транскрипты, кодирующие большинство мембранных и секретируемых белков, ожидаемо были локализованы в ЭПР. Немембранные белки транслируются более равномерно по всем компартментам. Однако были выявлены 1245 мРНК, обогащенных в TIS-гранулах, 919 мРНК, характерных для ЭПР, и 1141 мРНК цитозоля, при этом они не пересекались. Эти мРНК составляли 52% всех транскриптов немембранных белков. Оставшиеся 3369 мРНК не были обогащены в каком-либо компартменте. Результаты РНК-секвенирования были дополнительно подтверждены с помощью одномолекулярной РНК-флуоресцентной гибридизации in situ.

Дальнейшие исследования показали, что локализация мРНК и уровень экспрессии соответствующего белка значительно коррелируют. В TIS-гранулах располагаются мРНК с самым низким уровнем трансляции в нормальных условиях, что было связано с низким уровнем их транскрипции. Цитозольные мРНК имеют самые высокие скорости синтеза и распада, а в ЭПР локализованы мРНК, кодирующие белки с самым высоким уровнем экспрессии.

На локализацию мРНК значительное влияние оказывала архитектура гена. Так, медианный размер белков, синтезируемых в ЭПР, составляет 840 аминокислотных остатков, что примерно в три раза больше, чем у белков, синтезируемых в цитозоле. Были длиннее не только сами белки, но и мРНК, а количество экзонов было выше.

Более того, компартмент-специфичные мРНК кодируют гены, относящиеся к разным функциональным группам. мРНК, расположенные в TIS-гранулах, транслируют преимущественно транскрипционные факторы и белки с доменом «цинковые пальцы», для которых всегда характерен низкий уровень экспрессии. В ЭПР синтезируются крупные и вырабатывающиеся в большом количестве белки, такие как белки, связывающие компоненты цитоскелета, и регуляторы хроматина. В цитозоле образуются белки меньше размером, участвующие в регуляции трансляции и сплайсинга. Возможно, TIS-гранулы — специализированная среда для синтеза ядерных белков с низким уровнем экспрессии, которая тем не менее поддерживает активную трансляцию.

Далее авторы идентифицировали семь РНК-связывающих белков, которые сильнее всего влияют на локализацию мРНК: TIS11B, HuR, PUM2, HNRNPC, TIA1/L1, LARP4B и METAP2. Однако 30,7% мРНК, кодирующих немембранные белки, не связывают эти семь белков. На локализацию этих мРНК влияет архитектура генов. Например, длинные мРНК ассоциированы с ЭПР. Таким образом, примерно половина генов, кодирующих немембранные белки, имеют транскрипты, обогащенные в одном из трех цитоплазматических компартментах. Полученные результаты подчеркивают важность пространственной регуляции. Они также могут иметь важное значение для биотехнологии.

Контроль качества белков в ядре и цитоплазме скоординированы между собой