Первые точные данные о динамических молекулярных агрегатах в клетках

Исследователи из Фрайбурга и Кембриджа впервые смогли количественно оценить, как в живых клетках образуются небольшие динамические молекулярные агрегаты, используя новый метод микроскопии. Такие агрегаты играют важную роль в обработке сигналов.

Многие жизненно важные процессы в клетках протекают в безмембранных молекулярных агрегатах (конденсатах), которые помогают обеспечить нужную концентрацию молекул и их близость друг к другу.

Ученые из кластера передового опыта CIBSS Университета Фрайбурга (Германия) и Кембриджского университета (Великобритания) впервые смогли наблюдать и проанализировать образование таких конденсатов в живых клетках.

В статье в журнале Nature Communications они показывают, что этот процесс контролируется не только физическими силами, но и активными биологическими механизмами. Экспериментальные протоколы и инструменты анализа находятся в свободном доступе, что позволяет проводить исследования даже в менее оснащенных лабораториях.

Мелкие конденсаты сложнее изучать

Исследования обычно фокусируются на крупных и статичных конденсатах, так как их легче изучать. Однако мелкие динамические конденсаты, которые растут и распадаются, гораздо интереснее. Проблема в том, что они состоят из относительно небольшого числа молекул и слишком малы и быстры для изучения в живых клетках даже методами высокого разрешения.

Новый метод обходит технические ограничения

Ученые описывают способ обойти эти ограничения. Они используют обычную флуоресцентную микроскопию высокого разрешения с наклонным лазером (HILO-микроскопию) в сочетании со специальным экспериментальным протоколом и методами анализа на основе ИИ.

Остановка роста не объясняется простыми физическими моделями

Исследователи сравнили измерения в живых клетках с теоретическими описаниями образования конденсатов. Результаты удивили: начальный рост конденсатов соответствовал физическим моделям, но после достижения определенного размера их рост внезапно останавливался.

Рост агрегатов белка NELF регулируется сигналами стресса

В исследовании изучались агрегаты белка NELF. Они образуются, когда клетка испытывает стресс (например, от нагрева) или при агрегации других белков, как при деменции и нейродегенеративных заболеваниях.

Образование конденсатов NELF в ядре клетки эффективнее подавляет экспрессию генов, что важно для выживания клетки при стрессе.

Ученые наблюдали, что множество мелких конденсатов NELF существуют и в клетках без стресса. В небиологических системах конденсаты продолжали бы расти после достижения критического размера. Но в живых клетках это происходит только при стрессе. Ученые делают вывод, что клетка активно поддерживает мелкий размер конденсатов NELF, пока сигналы стресса не позволят быстрый крупномасштабный рост.

Белковые агрегаты важны для обработки сигналов

Такой процесс, хотя и кажется сложным, вероятно, важен для обработки сигналов стресса: он позволяет быстро формировать крупные конденсаты и растворять мелкие при необходимости, что дает клетке возможность своевременно реагировать на стресс. Эффективный ответ на стресс особенно важен с возрастом, так как многие возрастные нейродегенеративные заболевания вызваны менее эффективными реакциями на стресс.

Считается, что белковые агрегаты выполняют множество фундаментальных функций в обработке сигналов. Новый метод позволяет всесторонне изучить эти функции, а также роль агрегатов при болезнях неправильного свертывания белков, таких как деменция, болезнь Альцгеймера или Хантингтона.

В долгосрочной перспективе глубокое понимание этих механизмов может помочь в диагностике заболеваний и разработке терапий.