Искусственная модель ядрышка раскрывает пошаговый процесс сборки рибосом

Команда инженеров из Принстона разработала технику, позволяющую заглянуть внутрь ядрышка — крупнейшей структуры в ядре клетки, ключевой для роста клетки и стрессового ответа. Основная задача ядрышка — сборка рибосом, "станков" для производства белков.

Новый метод, описанный в журнале Nature, позволяет отслеживать движение молекул РНК внутри ядрышка с помощью передовой визуализации и геномики, не разрушая клетку и её хрупкие компоненты. Ранее методы требовали вскрытия клетки, что уничтожало большинство её структур.

"Эти инструменты дают нам окно в то, что происходит внутри ядрышка, как никогда раньше", — сказал руководитель исследования Клиффорд Брангвинн. "Теперь у нас есть точная пространственная и временная карта".

Создание искусственного ядрышка

Впервые команда также разработала способ создания упрощённой, искусственной модели ядрышка. Эта модель позволила протестировать идеи, возникшие при картировании, и будет играть дополнительную роль в будущих экспериментах.

Процесс сборки рибосом

Ядрышко имеет глобулярную форму с внутренним, средним и внешним слоями. Эти слои состоят из различных жидкообразных материалов с разным поверхностным натяжением, что удерживает их разделёнными, как масло и воду. Каждый слой играет свою роль в сборке рибосом.

Всё начинается с РНК, производимой во внутреннем слое. Эта РНК собирается в компоненты будущей рибосомы. По мере движения через слои ядрышка компоненты поэтапно собираются в готовые рибосомы.

Используя передовую микроскопию и секвенирование, исследователи наблюдали, что правильно обработанная рибосомальная РНК движется из внутреннего слоя в средний, затем во внешний, после чего покидает ядрышко. Конкретные этапы сборки происходят внутри каждого слоя.

Они также обнаружили, что малая субъединица рибосомы в основном собирается во внутреннем и среднем слоях, а большая субъединица — во всех трёх слоях.

Нарушения процесса и контроль качества

Нарушение этих процессов создавало серьёзные проблемы со структурой ядрышка. В одном тесте РНК накапливалась в среднем слое, что заставляло внешний слой отделяться и формировать своего рода "ожерелье" вокруг меньшей сферы. В другом тесте ядрышко выворачивалось наизнанку, меняя порядок слоёв.

Совместно с коллегами группа показала, как нарушения в обработке РНК изменяют поверхностное натяжение, что и приводит к такой инверсии структуры.

Сотрудничая с экспертами по рибосомам, команда использовала систему на основе ДНК-плазмиды, чтобы заставить живые клетки создавать совершенно новые, спроектированные человеком ядрышки. Синтезированные структуры функционировали подобно естественным, причём большие субъединицы рибосом собирались медленнее, чем малые. Им также удалось воспроизвести вывернутые наизнанку структуры.

"Мы обнаружили, что этот сложный завод в клетке имеет важные контрольные точки качества", — сказала София Кинодос. "Рибосомальная РНК перемещается из одной части завода в другую только в том случае, если этап обработки завершён. Затем она высвобождается для следующего шага".

Перспективы применения

Теперь, имея эти инструменты, группа Брангвинна изучает, что происходит при таких заболеваниях, как рак, где в раковых клетках производится больше рибосом, чем в здоровых. Используя свой инструмент картирования, они надеются найти уязвимости в процессе производства, которые могут стать мишенями для терапии.