Молекулярные сети служат клеточными чертежами

Исследователи обнаружили, что уникальный тип сети лежит в основе структур критически важных клеточных компартментов, известных как мембранеллярные органеллы. Эти находки могут дать ключевое понимание роли этих структур как в заболеваниях, так и в клеточных процессах.

"До этого исследования мы знали базовый физический принцип, по которому эти богатые белком компартменты образуются — они конденсируются из цитоплазмы в жидкие капли, подобно росе на травинке", — сказал Дэвид Сандерс, постдокторант в области химической и биологической инженерии Принстонского университета. "Но в отличие от капель росы, состоящих из одного компонента (воды), клеточные капли пугающе сложны. Наша работа раскрывает удивительно простые принципы, которые, как мы думаем, универсальны для сборки жидких органелл, и открывает новые горизонты для изучения их роли в здоровье и болезни".

Сандерс — ведущий автор статьи в журнале Cell, описывающей "чертеж" сборки этих жидких структур, также называемых конденсатами. Исследователи пристально изучили два типа конденсатов: стрессовые гранулы и процессинговые тельца ("P-тельца"). В статье команда под руководством Клиффорда Брангвинна, профессора Принстона и исследователя Медицинского института Говарда Хьюза, объединила методы генной инженерии и микроскопии живых клеток, чтобы раскрыть правила, лежащие в основе сборки и структуры стрессовых гранул, и причину, по которой они остаются отделены от своих близких родственников — P-телец.

Стрессовые гранулы появляются, когда клетки выводят из зоны комфорта — например, при нагреве или обнаружении вредных химических веществ. Оба типа конденсатов связаны с притоком РНК — генетического материала, который действует как посредник между постоянным генетическим кодом клетки (ДНК) и её основными рабочими лошадками (белками). Хотя функция этих конденсатов неясна, некоторые учёные полагают, что оба играют роль в контроле клеточных действий РНК-мессенджера. Независимо от функции, стрессовые гранулы захватываются вирусными инфекциями и связаны с болезнями старения. Поэтому понимание их сборки критически важно для разработки новых терапевтических средств.

В здоровых клетках клеточные машины, называемые рибосомами, постоянно движутся вдоль конвейера РНК, изолируя генетическое сообщение от окружающей среды и производя белки, необходимые для выживания клетки. Однако, когда внешний стресс останавливает конвейер, РНК оголяется и слипается в стрессовые гранулы и P-тельца. Команда Брангвинна разработала подход, чтобы определить, как происходит это слипание и почему определённые сгустки предпочитают ассоциировать, но при этом не смешивают свои компоненты в однородную каплю.

Из предыдущих исследований соавторов из Гарвардского университета исследователи знали, что белок под названием G3BP, который является специфической мишенью во многих вирусных инфекциях, необходим для образования стрессовых гранул. Но что делает G3BP особенным? Чтобы это определить, исследователи использовали генетически отредактированные клетки, лишённые G3BP и неспособные образовывать стрессовые гранулы после добавления химического вещества.

"Это позволило нам добавлять компоненты обратно, один за другим, чтобы увидеть, что необходимо для их образования", — сказал Сандерс. "Первым шагом было добавление обратно G3BP с удалёнными различными частями белка".

Этот подход выявил две части белка, которые были необходимы: одна связывается с РНК, а другая — со специфическими белками. Примечательно, что исследователям удалось воспроизвести это молекулярное "спасение", связав вместе похожие части из неродственных белков. Команда показала, что белковые каркасы стрессовых гранул требуют определённого набора строительных блоков с необходимым количеством химических соединителей, которые цепляются за нити РНК и слипают их вместе. Эти соединители, называемые РНК-связывающими доменами, встречаются на многих типах белков, но бывают разных видов, определяющих их биологическую функцию.

"Было удивительно просто это реконструировать", — сказал Сандерс. "Всё, что было нужно, — это каркас. Любой РНК-связывающий домен работал бы, при условии, что их было достаточно".

В итоге исследователи смогли сформировать идентичные конденсаты, используя более дюжины различных каркасов. "Что действительно имело значение, так это достаточно ли было связывающих доменов, чтобы контактировать с РНК, а затем соединять их вместе в пространстве", — сказал Сандерс. "Похожие идеи использовались для понимания сборки неживых материалов, что вдохновило наше мышление о проблеме с сетевой перспективы".

Исследователи поняли, что образование конденсатов — это, по сути, сетевая проблема. Когда было достаточно связывающих доменов, чтобы захватить нити РНК, конденсаты быстро формировались. На клеточном уровне концентрации белков со связывающими доменами определяли, будут ли стрессовые гранулы возникать в любой конкретной точке клетки.

Это понимание также дало представление о хорошо известной тенденции стрессовых гранул и P-телец слипаться вместе. Эта тенденция, являющаяся предметом интенсивного изучения многими исследовательскими группами, связана с внутренними сетями стрессовых гранул и P-телец и тем, как эти сети пересекаются.

"Так получилось, что G3BP имеет наибольшую распространённость и сетевое сродство среди белков стрессовых гранул", — сказал Сандерс. "Ему нравится взаимодействовать с другими белками, которые также захватывают РНК. Причина, по которой стрессовые гранулы и P-тельца слипаются, заключается в том, что их сети перекрываются, образуя клейкую связь. Интересно то, что две жидкости имеют достаточно сетевого перекрытия, чтобы слипнуться, но достаточно различны, чтобы не смешиваться полностью. Если увеличить степень сетевого перекрытия, можно объединить капли в единый конденсат. Более того, если убрать перекрывающийся сетевой "клей", они разделяются. Таким образом, описывать конденсаты как стрессовые гранулы или P-тельца — это ложная дихотомия. Важна сетевая связность, и она будет определяться различными клеточными состояниями".

Брангвинн поделился своим энтузиазмом по поводу будущей работы, основанной на этих исследованиях, направленной на определение, применим ли "чертеж" для стрессовых гранул и P-телец к другим конденсатам, таким как ядрышки. "Наша группа ранее показала, что ядрышки демонстрируют похожую структуру, подобно разным типам масляных капель, которые не смешиваются, плавая в водном растворе. Но мы не понимали молекулярных правил. Используя систему стрессовых гранул, мы, возможно, раскрыли общую основу для понимания этой проблемы, о чём захватывающе думать в контексте разных областей биологии и для использования в биомедицинских приложениях, таких как инженерия органелл и терапия".