Новые правила физической основы состава клеточных органелл

Новые данные о критических клеточных структурах опровергли распространённые предположения об их формировании и составе и дали новое представление о том, как молекулярные машины строятся в живых клетках.

Органеллы — это органо-подобные компартменты клетки, участвующие во многих её функциях, включая формирование критических клеточных машин, и имеющие значение для болезней и патологий. Большой класс органелл может формироваться без необходимости в мембранных границах, и их всё чаще называют конденсатами, поскольку широко считается, что они образуются путём жидкофазной конденсации, подобно каплям росы. Но поскольку у этих органелл нет стенок, исследователи до сих пор не понимают правил, которые управляют тем, какие молекулы попадают в конденсаты, а какие исключаются.

Одним из предсказаний модели жидкофазной конденсации является то, что эти структуры образуются, когда концентрация белков и других биомолекул становится достаточно высокой, чтобы вызвать их «конденсацию» из окружающей клеточной среды. Однако исследователи из Принстона и Детской исследовательской больницы Сент-Джуд обнаружили, что это не так.

Ключевое открытие: зависимость от состава

Исследователи обнаружили, что формирование конденсатов также сильно зависит от множества соединений, присутствующих в клетке. Ранее считалось, что конденсаты образуются, когда в клетках накапливается достаточно одной биомолекулы, например, белка или РНК. Но ответ оказался сложнее.

Оказалось, что соотношение различных типов биомолекул очень важно. Это называется композиционной зависимостью.

Одна из причин такой зависимости — способ взаимодействия белков и РНК на молекулярном уровне. Конденсаты требуют определённого количества взаимодействий, которое зависит от типов биомолекул и их состава. Исследователи обнаружили, что взаимодействия между разными типами молекул, или гетеротипические взаимодействия, были необходимы для формирования этих структур. Слишком низкое или слишком высокое содержание одной биомолекулы ограничивает количество возможных гетеротипических взаимодействий.

Пример: сборка рибосомы

Исследователи продемонстрировали важность этой композиционной зависимости для сборки критических молекулярных машин в клетках. Один из примеров — создание рибосомы, критически важной для производства всех белков в клетке, которая формируется в жидкофазных конденсатах, называемых ядрышками.

Формирование рибосомных субъединиц сравнивают со складыванием оригами. Когда структура завершена, у рибосомной субъединицы больше нет доступных областей для формирования связей, которые удерживали бы её в окружающей жидкости внутри ядрышка. В результате она выбрасывается и может выполнять свою функцию по всей клетке.

Метод и значение

Исследователи проводили эксперименты, помечая белки флуоресцентными маркерами и используя флуоресценцию, чтобы увидеть, как изменение концентрации белка влияет на образование конденсатов. Вдохновением для эксперимента послужила попытка увеличить размер конденсатов, заставив клетки сверхэкспрессировать определённые типы белков. Когда это изменило состав и стабильность конденсатов, учёные начали исследовать причину.

Это исследование показывает, как процесс фазового разделения позволяет такому сложному безмембранному органоиду, как ядрышко, реагировать на изменяющиеся клеточные условия, связывая его белковый состав с его собственным функциональным результатом — рибосомами. Данные свидетельствуют, что по мере изменения синтеза белка в ядрышке фазовое разделение помогает контролировать его структуру, динамику и функцию.