Аутофагия - это фундаментальный клеточный процесс, посредством которого клетки захватывают и разлагают свои дисфункциональные или лишние компоненты для деградации и переработки. Недавние исследования показали, что капли, разделенные фазами, выполняют ряд важных функций в клетках. Международное сотрудничество между немецкими, норвежскими и японскими исследователями раскрыло механизмы, лежащие в основе того, как эти капли захватываются посредством аутофагии, а также как капли могут служить платформой, из которой возникают структуры, способствующие цитозольной аутофагии.
Встреча двух миров
Аутофагия[1], важнейший путь внутриклеточной деградации, играющий ключевую роль в здоровье человека, на протяжении десятилетий привлекала внимание клеточных биологов, кульминацией чего стало присуждение Нобелевской премии по физиологии и медицине 2016 года Токийскому институту Технологии (Tokyo Tech) специально назначен профессором Ёсинори Осуми в 2016 году за его работу по раскрытию механизмов этого процесса. Недавно было обнаружено, что аутофагия разрушает капли жидкости [2], которые образуются в результате фазового разделения и были идентифицированы как важные структурные компоненты клеток в быстро развивающихся исследованиях. Но как происходит это «поедание» капель жидкости, неизвестно.
Этот простой, но важный вопрос побудил доктора Роланда Кнорра из Токийского университета собрать международную группу исследователей из Геттингена (Германия), Осло (Норвегия) и Токио (Япония), в которую вошла доктор Александр I. Мэй из Институт инновационных исследований Tokyo Tech. Эта группа намеревалась понять биологический процесс секвестрации аутофагосомных капель, обнаружив, что сложный физический механизм лежит в основе взаимосвязи между аутофагией и каплями. Их результаты, опубликованные в выпуске журнала Nature за эту неделю, представляют собой крупный прорыв в нашем понимании того, как аутофагия захватывает клеточный материал и как в клетках разлагаются капли. Эти результаты обещают предоставить информацию для терапевтических исследований, направленных на аутофагию и аномальное накопление капельного материала, наблюдаемое при нейродегенеративных и других заболеваниях.
По кусочку за раз
На первом этапе аутофагии изолирующая мембрана, ключевая функциональная структура аутофагии, состоящая из двухслойной липидной мембраны, имеющей форму сплющенного теннисного мяча, увеличивается в размерах, изгибается, образуя чашеобразную форму. форму и в конечном итоге образует сферическую структуру, известную как аутофагосома. Аутофагосомы захватывают цитозольный и другой клеточный материал, такой как капли, изолируя этот груз от остальной части цитозоля, после чего груз расщепляется, а его строительные блоки перерабатываются клеткой. Исследователи сосредоточились на выделении капель, которые, как они обнаружили, можно понять с точки зрения удивительно простых и фундаментальных физических принципов.
Капли имеют сферическую форму из-за эффекта поверхностного натяжения, которое минимизирует площадь поверхности капли. Насколько сильно капля может сопротивляться деформациям от сферической формы, определяется поверхностным натяжением капли [3], величина которого отражает, насколько сильно капля и окружающий ее цитозоль отталкиваются друг от друга. Важно отметить, что липидные мембраны могут располагаться на границе между каплями и цитозольной жидкостью, явление, известное как смачивание. Смачивание зависит от того, насколько сильно мембрана способствует взаимодействию с каплей и цитозолем, а также от поверхностного натяжения капли.
Исследователи разработали теоретическую модель, которая объясняет эти физические силы, чтобы объяснить, как аутофагические мембраны взаимодействуют с каплями и захватывают их. Они обнаружили, что форма пары капля-изолирующая мембрана определяется конкуренцией между сопротивлением капли деформации и склонностью изолирующей мембраны к изгибу. Доктор Мэй объясняет, как физические силы определяют исход взаимодействия капля-изолирующая мембрана: «Во время начальной фазы аутофагии изолирующие мембраны на каплях маленькие, а это означает, что они имеют лишь слабую тенденцию к изгибу. Однако по мере увеличения площади мембраны эти мембраны изгибаются с большей вероятностью - увеличивается энергия изгиба. Поверхностное натяжение капли определяет ее сопротивление деформации, и если поверхностное натяжение достаточно низкое, может быть достигнута критическая точка, в которой энергия изгиба изоляции превышает поверхностное натяжение капли. В этом случае часть капли «откусывается» и захватывается аутофагосомой. Если эта критическая точка никогда не будет достигнута и поверхностное натяжение капли «выиграет» эту конкуренцию, преодолев энергию изгиба мембраны, изолирующая мембрана будет продолжать расти вдоль поверхности капли, в конечном итоге поглощая всю каплю. Следовательно, аутофагию капель можно рассматривать как своего рода перетягивание каната между поверхностным натяжением капли и энергией изгиба изолирующей мембраны».
С моделью, предсказывающей этот компромисс между «частичной» и «полной» аутофагией, команда решила подтвердить эти выводы на живых клетках. Исследователи использовали передовую комбинацию флуоресцентной и электронной микроскопии, чтобы проследить отделения капель, которые обогащают белок, называемый p62 или SQSTM1 [4]. Как и предсказывало моделирование состояния капель с низким поверхностным натяжением, локализация небольших изолирующих мембран на поверхности капель сопровождалась «откусыванием» кусочков капли. Но команде нужно было разработать инновационные средства контроля поверхностного натяжения капель, чтобы подтвердить влияние свойств капель на секвестрацию.
Аутофагия по требованию
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи разработали минимальную синтетическую экспериментальную систему, которая устраняет сложность внутриклеточной среды. Используя этот подход, они наблюдали самосборку изолирующих мембраноподобных структур из ранее существовавших мембран на поверхности капель с высоким поверхностным натяжением. Настраиваемый характер этой экспериментальной установки позволил исследователям уменьшить поверхностное натяжение капель, тем самым проверяя, какое влияние это оказывает на захват капель. Как и предсказывала модель, они наблюдали, что уплощенные изоляционные мембраны трансформируются через промежуточную чашеобразную форму в структуру, подобную аутофагосоме, тем самым откусывая от капли. Вместе эти результаты подтверждают достоверность модели и демонстрируют, что смачивание является физическим механизмом, управляющим образованием аутофагосом в каплях.
Эти результаты показывают, что биологи все еще изучают только верхушку айсберга, когда дело доходит до значения разделения фаз в аутофагии. Интересно, что другое исследование, опубликованное в журнале Nature в прошлом году, в соавторстве с доктором Осуми, доктором Кнорром и доктором Мэем, показало, что место образования аутофагосомы в дрожжевых клетках на самом деле представляет собой каплю жидкости, которая никогда не захватывается. Доктор Кнорр отмечает: «Я был очень удивлен, обнаружив, что капли являются новой ключевой структурой аутофагии. Теперь мы хотели понять механизм, лежащий в основе нашего наблюдения, что некоторые типы капель расщепляются аутофагосомами, такими как p62, а другие нет, в том числе место образования аутофагосом."
Меняем вещи вверх
Простая конкуренция между изгибом изолирующей мембраны и поверхностным натяжением капли, описанная выше, предполагает, что свойства изолирующей мембраны не изменяются, когда она прилипает к поверхности капли. Это маловероятно, так как каждая сторона изолирующей мембраны смачивает две очень разные жидкости во время аутофагии капель: каплю или цитозоль. Команда расширила свою модель, чтобы объяснить это, обнаружив, что такая внутренняя асимметрия изолирующих мембран, возникающая из-за смачивания, определяет направление изгиба и, следовательно, материал, захваченный для деградации: либо капля через частичный путь, либо цитозоль через рост изоляции. мембрану от капли. Результатом этого является то, что специфическая комбинация изолирующих мембран, свойств капель и состояния цитозоля определяет каплю как мишень для аутофагии или, вопреки интуиции, как платформу, которая делает возможной аутофагию окружающего цитозоля.
Чтобы проверить это, исследователи модифицировали белок p62, убрав специфический мотив, который, как известно, взаимодействует с белками в изолирующей мембране, тем самым ослабляя ассоциацию изолирующей мембраны и капельки. Эта манипуляция имела радикальный эффект: в то время как первоначально наблюдалось, что изолирующие мембраны растут вдоль капель p62 в клетках дикого типа (немодифицированных), вместо этого они изгибаются, чтобы захватить цитозоль, оставляя каплю полностью неповрежденной. Таким образом, крошечные изменения в свойствах капель имеют решающее значение для режима аутофагии в живых клетках, определяя частичную или полную оболочку капель и даже захват цитозольного материала.
Выяснение лежащего в основе физического обоснования этого переключения открывает совершенно новую перспективу в нашем понимании механизма аутофагии, а также роли капель и физических принципов, таких как смачивание клеток. Это понимание закладывает основу для множества новых исследований о влиянии физических сил на клеточную биологию, а также дает новые подсказки, которые помогут понять, как аутофагия связана с заболеваниями, которые нелегко лечить, такими как нейродегенеративные заболевания и рак.
Сноски
[1] Аутофагия - это важный путь внутриклеточной деградации, связанный со многими важными процессами в здоровых клетках, такими как обеспечение надежного снабжения концентрацией метаболитов, реакции голодания и поддержание клеточной популяции органелл. Нарушение аутофагии связано с заболеваниями, включая инфекции, нейродегенеративные заболевания и рак. Таким образом, детальное понимание того, как происходит аутофагия в клетках, обещает новые способы борьбы с болезнями человека.
[2] Капли, также известные как «безмембранные органеллы», представляют собой конденсаты белков, которые образуются в результате процессов, подобных фазовому разделению. В этих структурах отсутствует ограничивающая мембрана, поэтому они ведут себя как динамичная, но дискретная жидкость в цитозоле (внутреннем растворе клетки), подобно каплям масла в воде. Капли в последнее время привлекли большое внимание исследователей из-за их все более признаваемой физиологической важности, но вопрос о том, как они разлагаются или диссоциируют, плохо изучен.
[3] Поверхностное натяжение - это сила, которая заставляет поверхность жидкости, включая капли жидкости в клетках, минимизировать площадь своей поверхности. С физической точки зрения поверхностное натяжение жидкости характеризуется величиной, зависящей от свойств жидкости и окружающего ее материала.
[4] p62/SQSTM1 представляет собой белок, который расщепляется путем аутофагии. Он действует как адаптерный белок, связываясь с другими клеточными белками через область, известную как LC3-взаимодействующая область (LIR), тем самым обеспечивая деградацию этих белков путем аутофагии. Известно, что p62/SQSTM1 образует капли в клетках, которые могут созревать в относительно инертные агрегаты, связанные с нейродегенеративным заболеванием.