Vědci z Katedry experimentální biologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy (PřF UK) publikovali v prestižním vědeckém časopise Nature Plants výsledky svého výzkumu, který přináší nové poznatky o funkci proteinového komplexu ARP2/3 v rostlinných buňkách.

Ukázalo se, že rostlinné buňky dokáží využívat tento komponent velmi odlišným způsobem než buňky živočišné – je důležitý pro buněčnou recyklaci peroxisomů. Na objevu se podílela i doktorka Kateřina Malínská, vedoucí Mikroskopického pracoviště v našem ústavu.

Zkoumaný proteinový komplex se skládá ze sedmi podjednotek a je důležitý pro formování „buněčného lešení“, aktinového cytoskeletu. V živočišných buňkách je ARP2/3 zodpovědný například za tvorbu membránových výčnělků – panožek – a je tedy nezbytný k pohybu buněk.

Rostlinné buňky jsou však obalené pevnou buněčnou stěnou. Panožky tedy vytvářet nemohou, jsou nepohyblivé a v rostlinném těle zůstávají stále na stejném místě. Přesto u nich najdeme evolučně konzervovaný komplex ARP2/3. Je zřejmé, že je v rostlinných buňkách k něčemu důležitý, ale že zde plní svou roli v jiných procesech než u živočichů.

Aktinový cytoskelet (modře) tvoří v rostlinných buňkách hustou síť, která má mnoho různých funkcí. Například peroxisomy (oranžově), podobně jako jiné organely, se pomocí molekulárních motorů myosinů pohybují po aktinových vláknech jako po buněčné „železniční síti“. Foto Jan Martinek, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK.

V předchozích studiích se ukázalo, že komplex ARP2/3 se podílí na koordinaci růstu a tvarování rostlinných buněk, nyní ale vědci objevili jeho zcela novou funkci. Ta souvisí se zvláštní formou autofagie, takzvanou pexofagií.

Co tato slova znamenají? Autofagie (řecky „sebepojídání“) je proces, jímž se buňka zbavuje starých a poškozených organel a recykluje je na základní chemické komponenty, které pak může znovu použít. Pexofagie je pak označení pro takovéto recyklování peroxisomů – organel, které mají v buňce roli v detoxikaci nebezpečných kyslíkových radikálů, ale třeba i v metabolismu mastných kyselin.

Jak také „recyklování“ v praxi vypadá? Pokud je peroxisom již starý a poškozený, buňka ho obalí dvojitou membránou, tzv. autofagosomem. Takto zabalený ho přemístí do vakuoly, kde ho v kyselém prostředí rozpustí svými „trávicími“ enzymy.

Právě v procesu obalování peroxisomu membránou autofagosomu hraje roli komplex ARP2/3. Vědci ukázali, že v mutantech, kteří mají komplex ARP2/3 nefunkční (chybí některá ze sedmi podjednotek) nebo neaktivní (chybí jeho aktivátor) se peroxisomy v buňkách hromadí, protože je buňka není schopna dobře odbourávat. Zároveň pomocí konfokální mikroskopie ukázali, jak komplex ARP2/3 vytváří na peroxisomu doménu právě v místě, kde nasedá autofagosom, aby peroxisom pohltil.

Komplex ARP2/3 na peroxisomech v pokožkových buňkách rostlin huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana). Aby mohli vědci struktury zobrazit, označili je fluorescenčními („svítícími“) proteiny. Ty slouží jako značky umožňující detekci zkoumaných struktur v živých buňkách. Na snímku z konfokální mikroskopu je zeleně zvýrazněn komplex ARP2/3 a fialově peroxisomy. Foto Jan Martinek, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK.

Tento objev, na kterém se podíleli také vědci z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR (ÚEB) a z Velké Británie, nejen rozšiřuje naše porozumění, jak fungují komplex ARP2/3 a autofagie v rostlinných buňkách, ale také odhaluje, jak různé skupiny organismů mohou využívat komplex ARP2/3 ke svým odlišným potřebám.

Zatímco u živočichů je remodelace membrán pomocí komplexu ARP2/3 důležitá například pro jejich pohyb, u nepohyblivých rostlinných buněk našel roli v remodelaci membrán při procesu autofagie. To ukazuje úžasnou schopnost přírody využívat v evoluci existující nástroje k rozdílným účelům.

Během výzkumu použil tým doktorky Kateřiny Schwarzerové z PřF UK několik pokročilých mikroskopických metod. Vzhledem k velmi malé velikosti peroxisomů, které jsou velké asi 1 mikrometr, a k rychlosti, jakou se v rostlinných buňkách pohybují, byl pro pozorování komplexu ARP2/3 na peroxisomech použit speciální mikroskop s pozorovacím módem TIRF schopným sledovat velmi rychlé procesy v živých buňkách.

Ve spolupráci s doktorkou Kateřinou Malínskou z Mikroskopického pracoviště ÚEB využili vědci také mikroskop s detektorem Airyscan, který umožňuje lepší rozlišení, než je dosažitelné běžnou světelnou mikroskopií.

3D vizualizace peroxisomu a komplexu ARP2/3. Obrázek vědci získali takzvanou superrezoluční fluorescenční mikroskopií využívající detektor Airyscan. Fialově je zobrazen peroxisom, zeleně komplex ARP2/3 v pokožkových buňkách rostliny huseníčku. Měřítko 1 µm. Autorka Kateřina Malínská, Ústav experimentální botaniky AV ČR.

„Když jsme pod mikroskopem poprvé viděli tečky, které komplex ARP2/3 v buňkách dělá, očekávali jsme, že budou označovat místa větvení aktinového cytoskeletu. Proto jsme byli překvapeni, když kolokalizační studie ukázala, že jsou ve skutečnosti spojené s peroxisomy, což bylo něco úplně jiného, než víme o lokalizaci komplexu například u živočichů. Zároveň to nedávalo smysl vzhledem ke známé funkci komplexu ARP2/3 v tvarování rostlinných buněk.“

„Teprve po několika letech detektivní práce se nám podařilo zjistit, že tato překvapivá a zdánlivě nesmyslná lokalizace komplexu ARP2/3 na peroxisomech je nezbytná pro jeho zcela novou funkci v degradaci peroxisomů pomocí autofagie,“ říká magistr Jan Martinek, první autor publikace v Nature Plants.

„Použitím mikroskopu se systémem Airyscan jsme získali nový, detailnější pohled na vzájemné uspořádání komplexu ARP2/3 a peroxisomu. Stále si ale zatím nejsme jisti, zda komplex na této organele „sedí“, nebo zda je částečně i uvnitř ní. Co nás také překvapilo, byla časová snímání – videa. ARP2/3 na nich totiž jakoby tančí okolo peroxisomu,“ doplňuje Kateřina Malínská.

* * *

Citace článku:

Martinek J., Cifrová P., Vosolsobě S., et al.: ARP2/3 complex associates with peroxisomes to participate in pexophagy in plants. Nature Plants (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01542-6.

Text: Michal Andrle, Kateřina Schwarzerová, Jan Martinek (všichni PřF UK), editace pro web Jan Kolář (ÚEB)