Внутри клеток, где ДНК плотно упакована в ядре, а жесткие белки поддерживают работу сложных транспортных систем, некоторые молекулы имеют более простой способ установления порядка. Они могут самоорганизовываться, находить друг друга в людных местах и быстро сливаться в капли - как масло в воде.
Теперь новые открытия ученых из Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), о которых сообщили 5 июля 2018 года в журнале Science, показывают, что эти капли делают больше, чем просто поддерживают порядок внутри клеток.
В одном исследовании исследователь HHMI Пьетро Де Камилли и его коллеги показали, как капли жидкости внутри нейронов поддерживают передачу сигналов через мозг. В другом исследовании команда под руководством исследователя HHMI Чжицзяна «Джеймса» Чена обнаружила, что капли фермента, чувствительного к опасности, генерируют сигналы, запускающие иммунный ответ..
Формирование этих капель представляет собой явление, известное как разделение фаз. В последнее десятилетие биологи наблюдали за тем, как белки и молекулы РНК быстро организуются в капли внутри пробирок, и обнаруживали жидкоподобные капли внутри клеток.
Но не всегда было ясно, какие преимущества дают эти капли. Новые открытия Де Камилли и Чена предлагают ответ - четкую связь между фазовым разделением и биологической функцией.
Нейронные капли
В своей лаборатории в Йельской школе медицины Де Камилли изучает, как нейроны управляют нейротрансмиттерами, передающими сигналы между соседними клетками. Внутри клеток эти сигнальные молекулы находятся в крошечных связанных с мембраной сферах, называемых синаптическими везикулами. Когда поступает входящее сообщение, везикулы выпускают свое содержимое в синапс, пространство, через которое клетка общается со своим соседом.
Каждая клетка может хранить тысячи пузырьков в структурах, называемых нервными окончаниями. Иногда одному терминалу может потребоваться выпустить более 100 синаптических пузырьков в секунду. Поэтому очень важно, чтобы резервы были легко доступны, говорит Де Камилли.
Используя электронный микроскоп, ученые увидели, что синаптические везикулы группируются в компактные структуры. В 1980-х годах, будучи постдокторантом в лаборатории Пола Грингарда, Де Камилли обнаружил, что эти кластеры сильно обогащены белком, связанным с поверхностью пузырьков. Исследователи назвали этот белок синапсином. «Мы предположили, что синапсин может помочь удерживать везикулы вместе, но никогда не понимали, как это работает», - говорит Де Камилли.
Никакая мембрана или структура не окружают кластеры, и Де Камилли говорит, что десятилетиями задавался вопросом, что удерживает их вместе. Когда он услышал об открытиях фазового разделения, сделанных другими биологами, он заподозрил, что это явление может относиться и к синапсину.
Исследователь с докторской степенью Драгомир Милованович был поражен некоторыми свойствами синапсинов, которые напоминают свойства других белков, способных разделяться по фазам. Он капнул раствор флуоресцентных молекул синапсина на покровное стекло и наблюдал, как они быстро сливаются в капли. Иногда две капли сливались в одну, подобно тому, как капли масла находят друг друга в воде. В других экспериментах Милованович наблюдал, как отдельные молекулы синапсинов свободно перемещаются между каплями. Как и предполагали ученые, синапсин вел себя как жидкость.
Милованович показал, что синапсин может даже организовывать везикулоподобные структуры, подобные тем, что находятся внутри нервных клеток, в капли. Более того, капли быстро распадаются при воздействии сигнала, запускающего высвобождение нейротрансмиттера.«Вы переходите от красивых капель к полной разборке капель», - говорит Де Камилли, объясняя, что это имитирует естественное рассеивание синаптических пузырьков, которое происходит, когда нервные клетки взаимодействуют..
В нервных клетках капли синаптических везикул дают явное преимущество, говорит он: это готовый запас нейротрансмиттерных мессенджеров. Открытие объясняет, как нейроны могут не отставать, когда потребность в высвобождении нейромедиаторов высока.
Иммунная тревога
В Юго-западном медицинском центре Техасского университета работа Чена с каплями жидкости помогла объяснить другую загадку: как фермент, чувствительный к ДНК, предупреждает иммунную систему об инфекции. Этот фермент представляет собой циклическую GMP-AMP-синтазу, или cGAS, которую лаборатория Чена открыла в 2012 году.
Фермент плавает в цитоплазме клеток и включается при встрече с ДНК. Поскольку собственные гены клетки содержатся в ее ядре и митохондриях, ДНК в цитоплазме является сигналом о том, что что-то не так - обычно это присутствие патогена.cGAS реагирует, генерируя cGAMP, молекулу-мессенджер, которая обращается к первой линии защиты организма - врожденной иммунной системе - для противодействия предполагаемой угрозе.
Несколько странностей в поведении фермента поначалу было трудно объяснить. Почему, например, длинные молекулы ДНК активировали ее более эффективно, чем короткие? Подсказка пришла из концентрированных пятнышек, которые Чен и его коллеги наблюдали за образованием фермента внутри клеток при связывании с ДНК. Они думали, что фермент подвергается фазовому разделению.
Конечно же, когда аспирант Минцзянь Ду смешал cGAS и ДНК в пробирке, он увидел характерное поведение жидкости. Связанный с ДНК фермент образовывал компактные капли, молекулы диффундировали из одной капли в другую, а иногда две капли сливались в одну. «Мы подозревали, что это может произойти, но поразительно, когда вы видите, что это происходит таким эффективным образом», - говорит Чен.
Эксперименты Du установили, что фермент образует капли только в присутствии ДНК. По словам Чена, эти капли имеют решающее значение для обнаружения патогенов - они действуют как микрореакторы, объединяя фермент со всем, что ему нужно для создания иммуноактивирующей молекулы-мессенджера. Более длинные фрагменты ДНК лучше способствуют образованию капель, чем короткие.
И поскольку ДНК должна присутствовать выше порогового уровня, прежде чем эти капли сформируются, cGAS редко вызывает врожденную иммунную систему к действию без необходимости. По словам Чена, ожидание, пока не будет достаточно ДНК, чтобы вызвать разделение фаз, позволяет ферменту отличать друзей от врагов.
Иногда, отмечает он, клеткам не удается достичь этого прекрасного баланса. Затем cGAS и, следовательно, иммунная система чрезмерно реагируют на собственную ДНК клетки, что приводит к аутоиммунным заболеваниям, таким как волчанка или артрит. Понимание того, как фазовое разделение регулирует этот фермент, может помочь ученым разработать способы решения таких проблем.