Клетки млекопитающих способны получать необходимую для жизни аминокислоту цистеин даже после отключения двух основных систем, которые ранее считались незаменимыми. Ученые выяснили, что в таких условиях клетки разрывают в молекуле цистина не дисульфидную, а соседнюю углерод-серную связь. О том, как работает обнаруженный путь и почему в будущем его могут попытаться отключить в раковых клетках, — в материале «Известий».

Цистеин — серосодержащая аминокислота, необходимая практически всем клеткам организма. Она используется при создании белков, участвует в защите от окислительного повреждения и служит исходным материалом для синтеза других важных соединений.

Особое значение цистеин имеет для производства глутатиона — одного из главных внутриклеточных антиоксидантов. Он помогает нейтрализовать активные формы кислорода и другие химически агрессивные молекулы, способные повреждать белки, липиды и ДНК.

Цистеин также участвует в образовании дисульфидных связей. Они возникают между атомами серы в составе белков и помогают молекулам сохранять правильную трехмерную структуру. Без таких связей многие белки теряют устойчивость и не могут выполнять свои функции.

Кроме того, цистеин необходим для синтеза кофермента А и других содержащих серу молекул, задействованных в обмене веществ.

«Все клетки нуждаются в постоянном поступлении аминокислоты цистеина, чтобы оставаться живыми», — рассказал ведущий автор работы, профессор генетики и биологии развития Университета штата Монтана Эдвард Шмидт.

Во внеклеточной среде свободный цистеин легко окисляется. Две его молекулы соединяются между собой дисульфидной связью и образуют цистин. Клетки могут захватывать цистин из окружающей среды, но перед использованием его необходимо снова превратить в цистеин. Для этого дисульфидную связь между двумя частями молекулы восстанавливают, освобождая доступные клетке молекулы аминокислоты.

Основную роль в этом процессе играют системы, связанные с тиоредоксинредуктазой и глутатионредуктазой. Эти ферменты используют восстановительную энергию НАДФН и помогают превращать дисульфиды в соединения с тиольными группами. Такие системы нужны не только для получения цистеина. Они участвуют в создании компонентов ДНК, нейтрализации окислителей и восстановлении поврежденных молекул.

Бактерии и дрожжи, лишенные одновременно тиоредоксинредуктазной и глутатионредуктазной систем, не выживают. Поэтому исследователи долгое время считали, что отсутствие обеих систем должно быть смертельным и для клеток животных. Однако эксперименты на мышах показали, что это правило действует не всегда.

Первые признаки неизвестного механизма исследователи обнаружили еще в 2014 году. Команда Шмидта работала с генетически модифицированными мышами, в клетках печени которых были отключены основные системы дисульфидных редуктаз. Ученые ожидали, что клетки не смогут получать достаточно цистеина и погибнут. Однако печень животных продолжила выполнять жизненно важные функции, а сами мыши выжили.

«Этого не должно было произойти. До тех пор не было известно ни одного организма или типа клеток, способного жить без работающей системы дисульфидных редуктаз», — отметил Шмидт.

Ранее исследователь создал отдельные линии мышей, в печени которых отсутствовала одна из двух основных редуктазных систем. Физиологические реакции животных заставили его предположить, что распространенное представление о безусловной необходимости хотя бы одной из них может быть неполным.

После одновременного отключения обеих систем стало ясно, что клетки печени нашли другой источник цистеина. Однако установить химическую основу этого механизма удалось только спустя несколько лет.

В общей сложности работа над открытием заняла около девяти лет. Исследования проходили в несколько этапов и включали эксперименты на генетически модифицированных мышах, анализ метаболитов и изучение химических реакций с соединениями серы.

Для расшифровки механизма группа Университета штата Монтана объединилась с исследователями Национального института онкологии Венгрии в Будапеште под руководством Петера Надя. Специалисты использовали аналитические методы, позволившие проследить происхождение цистеина в клетках печени и определить промежуточные продукты реакции.

Часть аминокислоты образовывалась через транссульфурационный путь из серина. Этот механизм был известен и раньше, однако он не мог объяснить основную долю цистеина в клетках, лишенных обеих редуктазных систем.

Исследователи установили, что большая часть аминокислоты поступала из цистина посредством ранее неизвестной последовательности реакций. Обычная система действует на дисульфидную связь между двумя атомами серы. Новый путь использует другую стратегию: клетка разрывает расположенную рядом углерод-серную связь в молекуле цистина.

В ходе пиридоксальфосфат-зависимой реакции образуется персульфид цистеина. Затем это нестабильное соединение распадается без участия дополнительного фермента, высвобождая цистеин, который клетка может использовать.

Таким образом, клетки обходят заблокированную систему. Вместо восстановления центральной связи между атомами серы они расщепляют молекулу в другом месте и получают необходимую аминокислоту через промежуточное соединение.

Обнаруженный механизм нельзя считать полноценной заменой всех функций тиоредоксинредуктазы и глутатионредуктазы. Эти ферментные системы участвуют во множестве реакций, и новый путь компенсирует прежде всего нехватку цистеина. Тем не менее его мощности оказалось достаточно, чтобы поддержать жизнеспособность клеток печени в условиях, которые ранее считались несовместимыми с существованием.

Исследователи выяснили, что активность резервного пути зависит от концентрации содержащих серу метаболитов. Он может включаться при длительном накоплении цистина внутри клетки, когда обычные механизмы его переработки не справляются или оказываются заблокированными. Авторы предполагают, что такой ответ доступен не только клеткам печени. При определенных условиях его, вероятно, способны задействовать многие типы клеток млекопитающих.

Именно это отличает животных от бактерий и дрожжей, для которых одновременная потеря двух основных редуктазных систем остается смертельной. По мнению исследователей, обходной путь мог появиться на ранних этапах эволюции многоклеточных организмов.

Одна из гипотез связывает возникновение резервного механизма с необходимостью противостоять электрофильным токсинам. Электрофилы вступают в реакции с богатыми электронами участками клеточных молекул, включая тиольные группы. Они могут повреждать белки и истощать антиоксидантные системы.

Такие вещества встречаются в окружающей среде и могут вырабатываться растениями, микроорганизмами и животными как средство химической защиты или нападения. Ранние многоклеточные организмы могли сталкиваться с ними вместе с пищей или при взаимодействии с конкурентами.

Если токсин временно выводил из строя основные восстановительные системы, возможность получать цистеин другим способом давала клеткам дополнительное время для выживания и восстановления.

«Способность наших клеток хотя бы некоторое время существовать без дисульфидных редуктаз, вероятно, возникла у ранних многоклеточных предков как защита от электрофильных токсинов», — предположил Шмидт.

Авторы рассматривают эту версию как эволюционное объяснение, а не как окончательно доказанное происхождение механизма. Для ее проверки потребуются сравнительные исследования у разных групп животных.

Механизм, полезный для здоровых тканей, теоретически может помогать и злокачественным клеткам. Опухоли нередко существуют в условиях нехватки кислорода и питательных веществ. Они испытывают окислительный стресс, быстро расходуют аминокислоты и вынуждены перестраивать обмен веществ, чтобы продолжать деление.

Многие методы противоопухолевой терапии дополнительно усиливают клеточный стресс. Лучевая терапия повреждает молекулы с помощью активных форм кислорода, а некоторые препараты нарушают обмен веществ, работу ДНК или антиоксидантных систем.

Цистеин в этих условиях становится важным ресурсом. Он необходим для создания глутатиона, который помогает клеткам нейтрализовать окислители. Доступность цистеина также влияет на чувствительность к ферроптозу — форме гибели клеток, связанной с железом и накоплением поврежденных липидов.

Если раковая клетка способна включить резервный путь получения цистеина, она может дольше выдерживать воздействие препаратов, облучения или иммунной системы. В таком случае отключение обходного механизма потенциально сделает опухоль уязвимее.

«Тот же путь, который защищает наши клетки от окислителей и токсинов, вероятно, защищает от терапии и раковые клетки», — заявил Шмидт.

По его словам, знание о существовании этого механизма в будущем может позволить точечно блокировать его в опухоли и тем самым усиливать действие лечения.

Результаты показывают, что клетки млекопитающих обладают более гибкой системой обмена серосодержащих соединений, чем считалось ранее. При отключении двух основных редуктазных систем они не обязательно остаются без цистеина. Вместо этого клетки могут изменить способ расщепления цистина: разорвать углерод-серную связь, получить персульфидное соединение и затем высвободить необходимую аминокислоту.

Открытие объясняет, почему печень генетически модифицированных мышей сохранила жизнеспособность в условиях, которые были смертельными для бактерий и дрожжей. Оно также показывает, насколько сложно лишить клетки критически важного ресурса: при блокировании основного пути они способны задействовать ранее неизвестный резервный механизм.

Для онкологии это одновременно проблема и возможность. Если опухолевые клетки используют такой путь для сопротивления лечению, его отключение может повысить их чувствительность к терапии. Однако сначала ученым необходимо подтвердить активность механизма в конкретных опухолях и найти способ подавлять его без существенного вреда для здоровых тканей.