Биомолекулярные конденсаты: исследование показывает низкую предсказательную силу общепринятых тестов на жидкофазное разделение

Клетки содержат миллионы различных биомолекул, которые хаотично диффундируют, однако им удается обеспечивать высокую функциональную и пространственную специфичность. Это часто достигается за счет направления биомолекул в субклеточные компартменты. Одни компартменты, например митохондрии, отделены мембранами. Другие, как ядрышки, не имеют мембранных границ.

Как образуются эти безмембранные компартменты, остается одной из величайших загадок биологии. В последние годы в качестве движущей силы их сборки предлагалось явление жидкофазного разделения (liquid-liquid phase separation, LLPS).

Группа Андреа Музаккио, директора Института молекулярной физиологии Макса Планка, разработала стратегию валидации для оценки роли LLPS в образовании компартментов и проверки распространенных методов детекции свойств LLPS. Исследование опубликовано в журнале Molecular Cell.

Применение этой стратегии к процессу сборки центромеры во время деления клетки, который, как предполагалось, управляется каркасом LLPS (хромосомный пассажирный комплекс, CPC), не выявило LLPS в качестве ключевого драйвера, подтвердив низкую предсказательную силу этих тестов. Новая стратегия может стать важным инструментом для валидации роли других потенциальных драйверов LLPS, идентифицированных к настоящему времени.

Сдвиг парадигмы?

На рубеже веков были впервые обнаружены клеточные компартменты, не ограниченные физическими границами. Теперь известно, что ядрышки, P-тельца или стрессовые гранулы концентрируют макромолекулы (в основном белки и РНК) и выполняют важные функции.

В последние годы идея о том, что эти компартменты образуются в процессе жидкофазного разделения, сравнимого со спонтанным формированием капель масла в воде, набрала значительную популярность. Согласно этой точке зрения, безмембранные компартменты являются «конденсатами», чье образование основано на транзиентных, слабых и неспецифических взаимодействиях белков-«драйверов».

Тесты, исследующие свойства фазового разделения белков вне клетки, к настоящему моменту идентифицировали десятки таких драйверов, включая хромосомный пассажирный комплекс (CPC), который, как утверждалось, формирует конденсаты на центромере для модуляции ее организации и функции во время митоза.

In vitro — это не in vivo: нельзя игнорировать цитозоль

«Для многих ученых фазовое разделение стало стандартным объяснением образования безмембранных компартментов. Однако мало доказательств того, что тесты LLPS, проведенные in vitro, действительно могут предсказать физиологический процесс в среде клетки», — говорит Музаккио.

Его команда разработала стратегию для оценки широко используемого теста LLPS и его предсказательной силы, применив ее к CPC. «По нашему мнению, главная слабость тестов в том, что они недостаточно точно моделируют растворитель. Растворитель определяет растворимость белка и, следовательно, его способность взаимодействовать с другими белками».

Чтобы максимально приблизиться к естественной среде клетки, ученые добавили разбавленные бактериальные или клеточные лизаты млекопитающих в стандартные буферы для LLPS. Даже в высоких разведениях лизаты полностью предотвращали образование конденсатов. Этот результат подтвердился для нескольких дополнительных белков, демонстрировавших свойства LLPS в стандартном тесте: во всех случаях добавление клеточных лизатов растворяло «конденсаты».

«Эти результаты подтверждают наше предположение, что клеточная среда эффективно буферизует неспецифические слабые взаимодействия, которые, как считается, вызывают LLPS in vitro», — говорит Музаккио.

Низкая предсказательная сила

Взаимодействия и функции белков в клетке сильно регулируются посттрансляционными модификациями. Ученые создали мутант CPC, который не может рекрутироваться в центромеры и не накапливается там, введя мутации в четыре остатка, участвующих в распознавании фосфорилированных сигналов. Тем не менее, этот мутант по-прежнему демонстрировал полный потенциал LLPS в тесте in vitro, показывая, что тест не способен предсказать локализацию и функцию CPC.

«Наши результаты показывают, что LLPS одного компонента in vitro не может предсказать растворимость и локализацию в сложной и переполненной среде клетки. Список предполагаемых каркасов LLPS, идентифицированных с помощью установленных тестов, потребует тщательного пересмотра, и стратегия валидации, которую мы представляем здесь, может помочь в этом», — говорит Музаккио.

В будущем команда планирует повторить эксперименты со многими предполагаемыми каркасами LLPS, особенно с теми, которые стали флагманами в развитии этой области.