Клеточные «нанодомены» — скрытые центры скопления белков, связанных с БАС и деменцией
Внутри клетки существуют крошечные «сборочные фабрики» и «склады», которые собирают вместе белки и РНК, необходимые для жизни. Эти сборки, называемые биомолекулярными конденсатами, помогают регулировать деление клеток и реакцию на стресс, изолируя и обрабатывая РНК и белки. В отличие от органелл, у них нет мембраны. Они формируются за счёт конденсации своего «материала», подобно тому, как водяной пар конденсируется в облака.
Однако процессы, контролирующие судьбу этих капель, до конца не ясны. Их визуализация сложна: всё внутри клетки движется, а сами конденсаты имеют свойство перемещаться на предметном стекле микроскопа.
Новый метод позволяет заглянуть внутрь конденсатов
Исследователи из Мичиганского университета под руководством профессора химии Нильса Вальтера разработали метод изучения внутренней структуры капель, сфокусировавшись на белке FUS (fused in sarcoma). Этот белок часто образует конденсаты у пациентов с нейродегенеративным заболеванием — боковым амиотрофическим склерозом (БАС).
Они обнаружили, что движение молекул РНК и белка внутри этих конденсатов замедляется в пределах отдельных, чрезвычайно малых областей, которые исследователи назвали нанодоменами. Со временем — по мере «старения» конденсата — эти нанодомены перемещаются к его поверхности.
Учёные также применили к конденсатам лекарства, используемые для лечения БАС и подобных заболеваний. Оказалось, что эти препараты могут действовать, отчасти, за счёт ускорения движения нанодоменов к поверхности капли, что ускоряет образование там фибрилл. Считается, что эти фибриллы защищают нейроны от деградации, поскольку поглощают более мелкие токсичные агрегаты в процессе развития БАС.
Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
«Понимание того, как они формируются и что развивается внутри них по мере старения, необходимо для поиска способов благотворного влияния на этот процесс», — говорит Вальтер.
Белок FUS и связь с болезнями
FUS — ключевой регулятор клеточного метаболизма РНК. Он конденсируется, когда клетки подвергаются стрессу, называемому гипоосмотическим фазовым разделением. При этом в клетке повышается концентрация соли, что заставляет её адаптироваться, теряя воду и сжимаясь до 50%. FUS-конденсация может играть роль в запуске правильных программ восстановления.
Определённые генетические мутации FUS приводят к раку и нейродегенеративным заболеваниям, таким как БАС и лобно-височная деменция. При мутации FUS накапливается и конденсируется в цитоплазме клетки. Со временем это скопление связывают с развитием болезней. Однако зафиксировать прогрессирование этих патологических изменений сложно.
Экспериментальный подход и преодоление трудностей
Для изучения конденсации FUS исследователи очистили полноразмерную форму белка. Они добавили к нему особый тип сахара, предотвращающий конденсацию, который можно было удалить по желанию, запустив процесс.
Учёные пометили РНК-зонд и белок двумя разными флуоресцентными красителями. Это позволило с помощью флуоресцентной микроскопии отслеживать диффузию отдельных молекул РНК и белка внутри конденсированных капель.
Оставалась ещё одна проблема: капли конденсатов трудно удержать на месте для микроскопического исследования.
«Если вы сделаете конденсат и поместите его на предметное стекло, он может катиться по поверхности или колебаться. Если это происходит, то отслеживание частиц нарушается», — объясняет Вальтер.
Команда нашла баланс, используя достаточное количество «якорей», чтобы удержать каплю неподвижно, но не сплющить её. Используя HILO-микроскопию, исследователи смогли отслеживать движение отдельных молекул внутри капли и увидеть, где частицы скапливаются.
Этот метод также позволил наблюдать образование фибрилл вокруг конденсатов FUS. Применение малых молекул лекарств от БАС (эдаравон и особенно рилузол) показало, что они заставляют кластеры FUS в нанодоменах быстрее перемещаться к поверхности конденсата, откуда и растут волокна.
«Наши результаты в целом означают, что мы впервые видим эти нанодомены как потенциальные «семена» для этих волокон», — говорит Вальтер. — «Возможно, используемые нами препараты имеют ещё один эффект, помимо известных, помогая конденсатам быстрее фибриллизироваться и защищать нейрон».
Понимание механизмов внутри биомолекулярных конденсатов — важная и быстро развивающаяся область исследований.