Механизм формирования жидких капель в клетках: роль структуры РНК
Долгое время оставалось загадкой, как миллионы молекул в клетке "находят" друг друга и организуются в функциональные структуры. В 2008 году участники курса по физиологии в Marine Biological Laboratory (MBL) с удивлением обнаружили, что простые фазовые разделения (подобные разделению масла и воды) могут быть одним из ключевых способов создания порядка внутри клетки.
Эта идея, не лишённая противоречий, произвела революцию в клеточной биологии. За последнее десятилетие учёные наблюдали, как молекулы белков и РНК конденсируются в капли (мембрано-свободные конденсаты) в клетках самых разных организмов — от бактерий до человека. Также было замечено, что те же белки, которые образуют жидкие капли в здоровых клетках, могут "затвердевать" при заболеваниях, например, при нейродегенеративных расстройствах. Однако причина, по которой определённые молекулы собираются в один конденсат, а другие — нет, оставалась неясной.
В новом исследовании, опубликованном в Science, команда впервые показала, что молекулы РНК "узнают" друг друга и конденсируются в одну каплю благодаря специфическим 3D-структурам, которые они принимают. Старший автор работы, Эми С. Гладфелтер из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, начала это исследование в рамках HHMI/HCIA Summer Institute в MBL — группы из 70 учёных, которые изучали эту новую парадигму клеточной организации в течение пяти лет интенсивной совместной работы.
Работая с клетками грибов, Гладфелтер (стипендиат MBL), Эрин М. Лэнгдон и их коллеги показали, что молекулы РНК оказываются в одной капле, если их 3D-структуры позволяют им связываться друг с другом посредством комплементарного спаривания оснований.
«Молекулы РНК окажутся в разных каплях, если их вторичные (3D) структуры экранируют комплементарность. Но у РНК, которые конденсируются в одну каплю, комплементарные последовательности действительно экспонированы, поэтому они могут найти друг друга и образовать спаренные основания, создавая взаимодействие более высокого порядка», — говорит Гладфелтер.
Это открытие важно, поскольку раскрывает селективный механизм формирования этих РНК-белковых конденсатов. Их функция всё ещё не до конца ясна, но учёные наблюдают их повсеместно в клетках. Конденсаты могут служить "тигелями" для усиления биологических реакций, концентрируя вместе специфические молекулы. Или они могут изолировать молекулы, которые клетке не нужны для конкретного биологического процесса.
Ранее Гладфелтер уже демонстрировала на грибах, что для протекания двух различных биологических процессов критически важно, чтобы в клетке происходило жидко-жидкостное фазовое разделение. «Но нам нужно больше примеров, где это действительно важно для функции клетки», — отмечает она. Области исследований необходимы доказательства, «что это не просто то, что белки и РНК могут делать, но то, на что действовал естественный отбор».
Также есть указания на то, что переход этих жидких конденсатов в более твёрдое состояние может быть фактором развития болезней белковой агрегации, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, БАС и прионные заболевания. Текущее открытие, по словам Гладфелтер, «помогает нам понять, как правильные компоненты рекрутируются в капли, чтобы клетки могли потенциально избежать этого перехода в аномальное твёрдое состояние».
«Это один из многих примеров, когда проницательные студенты и сотрудники MBL внесли значительный вклад в биологические исследования. И, что важно, первоначальное наблюдение было интенсивно развито в рамках инновационного междисциплинарного сотрудничества — HHMI/HCIA Summer Institute в MBL. Именно такие синергии порождают выдающуюся науку в MBL», — сказал Дэвид Марк Уэлч, исполняющий обязанности директора по исследованиям MBL.