Учёные обнаружили, что избыток РНК может нарушать выработку энергии в клетках
Американские исследователи обнаружили, что чрезмерное накопление РНК способно нарушать работу митохондрий — клеточных структур, отвечающих за выработку большей части энергии. Эксперименты показали, что избыток этих молекул снижает способность клеток использовать кислород и производить энергию даже без участия иммунной системы. Открытие может помочь лучше понять механизмы вирусных инфекций, возрастных заболеваний и нарушений клеточного обмена веществ.
Исследование провели специалисты Техасского университета A&M под руководством вирусолога Чжилуна Яна. Учёные изучали процессы, которые происходят в клетках при накоплении рибонуклеиновой кислоты (РНК). Эта молекула играет важнейшую роль в работе организма, в частности участвует в передаче генетической информации от ДНК к клеточным механизмам синтеза белков.
В нормальных условиях клетки постоянно производят и разрушают молекулы РНК, поддерживая необходимый баланс. Однако при вирусных инфекциях, некоторых онкологических и нейродегенеративных заболеваниях, а также в процессе старения этот механизм может нарушаться. В результате внутри клеток накапливается избыточное количество РНК, последствия чего до сих пор оставались недостаточно изученными.
Чтобы выяснить, как подобные изменения влияют на энергетический обмен, исследователи провели эксперименты с человеческими клетками, выращенными в лаборатории. Часть клеток заразили вирусом осповакцины, который относится к семейству поксвирусов и используется при вакцинации против натуральной оспы. Затем учёные создали условия, при которых нарушалось разрушение РНК, что приводило к её накоплению внутри заражённых клеток.
Измерения показали, что при повышенном содержании РНК клетки начинали потреблять меньше кислорода, а эффективность работы митохондрий заметно снижалась. Поскольку митохондрии используют кислород для производства аденозинтрифосфата (АТФ) — основного источника энергии для клеточных процессов, такие изменения указывают на нарушение клеточного энергетического обмена.
Для проверки результатов исследователи провели дополнительные эксперименты, вводя РНК непосредственно в клетки без вирусного заражения. Они использовали несколько разновидностей молекул, включая матричную РНК (мРНК), необходимую для синтеза белков, и двухцепочечную РНК, которая часто образуется при вирусных инфекциях и может запускать защитные реакции организма.
Оказалось, что избыток обеих разновидностей РНК способен нарушать работу митохондрий. Особенно неожиданным стало влияние матричной РНК, поскольку она является обычным и необходимым компонентом здоровых клеток. Полученные результаты показали, что даже жизненно важные молекулы при чрезмерном накоплении могут отрицательно воздействовать на клеточные процессы.
Первоначально учёные предполагали, что повреждение митохондрий связано с иммунной реакцией, которую вызывает избыток РНК. Однако дальнейшие эксперименты показали, что нарушения энергетического обмена могут возникать независимо от основных исследованных механизмов противовирусной защиты.
Более того, когда исследователи выделили митохондрии из клеток и добавили к ним РНК, снижение их активности наблюдалось и в отсутствие других клеточных компонентов. Это позволило установить, что избыточная РНК может непосредственно влиять на работу митохондрий.
Учёные предполагают, что причиной служит электрический заряд молекул РНК. Накапливаясь вблизи митохондрий, они могут нарушать разность электрических потенциалов на внутренней мембране, необходимую для производства АТФ. Эксперименты действительно выявили снижение мембранного потенциала, однако точный молекулярный механизм этого процесса ещё предстоит установить.
Полученные результаты представляют интерес для изучения заболеваний, сопровождающихся нарушением обмена РНК и работы митохондрий. Подобные изменения наблюдаются при некоторых нейродегенеративных и онкологических заболеваниях, хотя роль обнаруженного механизма в их развитии пока не доказана.
Исследование также может оказаться полезным при разработке лекарственных препаратов и вакцин на основе РНК. Понимание того, как клетки реагируют на повышенные концентрации этих молекул, поможет совершенствовать подобные технологии. При этом лабораторные результаты не свидетельствуют о том, что обычное применение мРНК-вакцин вызывает энергетическое истощение организма.
Авторы подчёркивают, что эксперименты проводились преимущественно на клеточных культурах и выделенных митохондриях. Следующим этапом станет изучение обнаруженного механизма в живых организмах, а также выяснение того, при каких концентрациях РНК и условиях её накопление действительно приводит к нарушениям клеточного энергетического обмена.
Результаты исследования в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).