Богатый молекулярный язык управляет формированием крошечных жидких капель в клетках
Внутри биологической клетки существует микроскопический мир, где работают специализированные структуры — органеллы. Некоторые из них, называемые мембранессыми, не окружены защитной мембраной, а существуют в виде изолированных жидких капель. Процесс их образования — «жидкостно-жидкостное фазовое разделение» — активно изучается.
Учёные из Техасского университета A&M, Университета Делавэра и Университета Рутгерса обнаружили, что аминокислоты (остатки) в белках, формирующих капли, взаимодействуют гораздо более разнообразными способами, чем считалось. Эти взаимодействия облегчают сборку белков и, в конечном итоге, жидкостно-жидкостное фазовое разделение.
Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.
Эта работа расширяет понимание клеточной биологии и может помочь в разработке методов лечения болезней с патологическими белковыми агрегатами, таких как Альцгеймер и Паркинсон, а также в создании новых биомодифицированных мягких материалов.
Открытие и загадка
Мембранессые жидкие капли в живых клетках были впервые обнаружены в половых клетках почвенного червя C. elegans. В его эмбрионе структуры P-гранулы, лишённые мембран, вели себя как жидкости: могли капать, сливаться и растворяться, сохраняя целостность в цитоплазме, подобно каплям масла в воде.
«В 2009 году произошёл фундаментальный сдвиг в понимании клеточной компартментализации через возникновение каплевидных структур», — сказал старший автор работы, профессор Джитин Миттал. Большинство биологов стали считать, что фазовое разделение — это правило, а не исключение.
Однако оставался вопрос: как определённые белки среди миллионов других в цитоплазме собираются в функциональные капли? Считается, что ключевую роль играют внутренне неупорядоченные белки (IDP), но конкретные взаимодействия, управляющие разделением фаз, были неясны.
Экспериментальный подход
«Нам нужна была более чёткая идея о том, какие аминокислоты в неупорядоченных областях обеспечивают движущую силу для разделения фаз», — пояснил ведущий автор, аспирант Шив Рехи.
Команда использовала синтетический неупорядоченный белок с последовательностями, напоминающими природные. Они создавали варианты белка, удаляя или добавляя определённые типы аминокислот, и оценивали, происходит ли конденсация в капли. С помощью микроскопии и измерений мутности они изучали физическую природу капель. Затем с помощью крупномасштабного компьютерного моделирования Рехи исследовал, как атомные взаимодействия между аминокислотами в последовательности белка приводят к образованию наблюдаемых экспериментально жидких капель.
Результаты: сложный молекулярный язык
«Распространено мнение, что для разделения фаз необходимы тирозин и/или аргинин. Мы напрямую проверили это, создав варианты белков без этих остатков, и всё равно получили разделение фаз», — сообщил Рехи. Этот и другие эксперименты показали, что разделение фаз может происходить без многих остатков, которые считались необходимыми.
Исследователи обнаружили, что все, кроме одного, из 12 вариантов белка демонстрировали фазовое разделение. Это подчёркивает наличие множественных взаимодействий между аминокислотными остатками, составляющими неупорядоченный белок.
«Какое-то время в научном сообществе предполагалось, что ограниченный набор правил может описывать образование капель. Мы показали, что важна каждая часть белковой последовательности», — заявил Миттал. «Наша работа устанавливает, что молекулярный язык фазового разделения гораздо богаче и сложнее».