Жидкий порядок: Жидкость самоорганизуется в структуру, контролирующую рост и здоровье клетки

Хотя ядрышко известно с 1830-х годов как круглое темное пятно в ядре клетки, только недавно ему стали уделять должное внимание. Ученые выяснили, что, помимо сборки клеточных белковых фабрик, эта специализированная субъединица (органелла) служит более широким центром управления ростом и здоровьем клетки.

В последние годы, в ходе активных исследований, Клиффорд Брангуинн из Принстона и его коллеги обнаружили, что ядрышко ведет себя как жидкость с консистенцией меда. Однако эта биологическая капля каким-то образом поддерживает сложную компартментализованную внутреннюю структуру. Исследователи задавались вопросом, как такой жидкоподобный объект может стабильно формировать слои, а не сливаться в однородный шар.

Новое исследование Брангуинна, его студентов и их коллег предлагает решение парадокса сборки и внутренней организации ядрышка. Их статья, опубликованная 19 мая 2016 года в Cell, показывает, что белки и РНК ядрышка спонтанно собираются в три различных жидких слоя благодаря своим различным свойствам, таким как поверхностное натяжение и вязкость. Подобно тому, как масло и вода могут сосуществовать, оставаясь разделенными, ядрышко образует жидкие субкомпартменты, которые обеспечивают его критические функции. Эти представления о форме и функции ядрышка могут в конечном итоге указать новые пути для лечения болезней.

«Чтобы получить характерную многослойную архитектуру ядрышка типа "ядро-оболочка", все, что нужно сделать, — это смешать правильные молекулы вместе в достаточных концентрациях», — сказала соавтор исследования Марина Ферик, аспирант по химической и биологической инженерии.

«Мы предоставили биофизический механизм структуры ядрышка, который автоматически возникает из коллективного поведения несмешивающихся жидкостей», — сказал другой соавтор исследования, Найлеш Вайдья, постдокторант лаборатории Брангуинна.

Ранее Брангуинн и коллеги показали, что ряд других органелл, кроме ядрышка, также являются фазово-разделенными жидкими каплями РНК и белка. Настоящие результаты показывают, как эти органеллы, лишенные явной компартментализации мембранами, тем не менее могут демонстрировать сложную архитектуру, адаптированную для их клеточных функций.

«Основные свойства жидкостей определяют, какие компоненты ядрышка находятся внутри, а какие снаружи», — сказал Брангуинн. — «Поскольку фундаментальные принципы, лежащие в основе этого эффекта, наблюдаются даже в неживых состояниях материи, мы считаем, что эта физическая картина применима ко многим органеллам внутри клеток».

Исследователи изучали ядрышки, проводя эксперименты с очищенными ядрышковыми белками, а также с живыми яйцеклетками лягушки, круглыми червями и культивируемыми клетками, плюс компьютерное моделирование.

Работа с яйцами лягушки, возглавляемая Ферик, использовала тот факт, что яйца обладают множеством крупных ядрышек, что облегчает наблюдение и манипуляции с органеллой. В этих яйцах ядрышки обычно не соприкасаются из-за эластичной сети актина. Ферик инкубировала их в фармакологическом препарате, разрушающем актин, что позволило ядрышкам контактировать друг с другом, и наблюдала слияние их содержимого, подобно слиянию двух капель воды в одну большую. Анализируя эти события слияния, исследователи выявили различные биофизические свойства соответствующих слоев ядрышка.

Между тем, лабораторная работа с белками под руководством Вайдьи показала, что капли двух основных ядрышковых белков, FIB1 и NPM1, не смешиваются в однородную жидкость. Вместо этого, из-за более высокого поверхностного натяжения FIB1 по сравнению с NPM1, первый был окружен вторым, точно имитируя структуру ядрышка, наблюдаемую в живых клетках. В качестве демонстрации этого явления исследователи также создали аналогичные многофазные капли (жидкости, встроенные в другие жидкости), используя растительное и силиконовое масло в воде.

В совокупности данные убедительно объясняют, как отдельные субкомпартменты ядрышка располагаются друг внутри друга, подобно русской матрешке.

«Это исследование очень важное и захватывающее», — сказал Стив Мичник, биофизический химик из Университета Монреаля, не участвовавший в работе. — «Оно устанавливает, что суборганизация ядрышка является результатом того, что одно фазово-разделенное тело обволакивает другое, и объясняет физическую комплементарность между каждым телом и окружающей средой, которая приводит к такому расположению».

Для ядрышка эта слоистая форма соответствует функции. Вновь синтезированные молекулы РНК перемещаются из ядра органеллы в средний, а затем во внешний компоненты, получая модификации, как на сборочной линии. Как фабрика, ядрышки производят эти фрагменты РНК, которые после выхода из ядрышка в конечном итоге попадают в цитоплазму клетки и соединяются, образуя структуры, называемые рибосомами. Эти рибосомы, сами являясь фабриками, производят многие тысячи белков клетки.

Помимо производства рибосом, ядрышко недавно стало центром координации клеточного роста, помогая регулировать деление клеток и даже определяя время самоуничтожения клетки в ответ на стресс или повреждение. Учитывая эту центральную роль, ядрышко также все чаще признается за участие в заболеваниях. Например, при определенных болезнях ядрышки могут терять часть своей нормальной текучести. Если дефектные ядрышки становятся более волокнистыми, нарушая плавный поток РНК через их камеры, это может способствовать развитию сердечных и неврологических заболеваний.

Другое серьезное заболевание, в котором ядрышки играют видную роль, — это рак. В злокачественных клетках захваченные ядрышки сверхпродуцируют белки для подпитки неконтролируемых быстрых делений. Онкологи обычно оценивают агрессивность раковых клеток, в частности, по степени деформации и увеличения их ядрышек.

Таким образом, дальнейшее понимание нормального строения ядрышек, как это дает новое исследование в Cell, поможет в оценке органеллы как перспективной мишени для лекарств в ближайшем будущем. Брангуинн также надеется, что понимание структуры ядрышка «ядро-оболочка» поможет в текущих исследованиях его лаборатории других малоизученных органелл без мембран, таких как стрессовые гранулы, P-тельца и тельца Кахаля. Хотя эти структуры едва упоминаются в учебниках по биологии, недавние работы показали, что они также играют ключевую роль как в физиологии клетки, так и во многих заболеваниях, включая болезни агрегации, такие как болезнь Альцгеймера и боковой амиотрофический склероз (БАС).

«Это исследование очень интересно для нас», — сказал Брангуинн. — «Удивительно, как такие сложные структуры, как ядрышко, могут самоорганизовываться на основе относительно простых физических принципов. Мы надеемся, что существует также простота в том, как такая организация может нарушаться при болезни».