Новое исследование может помочь объяснить интригующее явление внутри клеток человека: как жидкие органеллы без стенок могут сосуществовать как отдельные сущности, а не просто сливаться вместе.
Эти структуры, называемые безмембранными органеллами (MLO), представляют собой капли жидкости, состоящие из белков и РНК, причем каждая капля содержит оба материала. Органеллы играют решающую роль в организации внутреннего содержимого клеток и могут служить центром биохимической активности, рекрутируя молекулы, необходимые для осуществления основных клеточных реакций.
Но как разные капли держатся отдельно друг от друга, остается загадкой. Почему они не всегда просто объединяются в более крупные капли?
«Эти органеллы не имеют никакой мембраны, и, следовательно, обычная интуиция подскажет вам, что они могут свободно смешиваться», - говорит Прия Банерджи, доктор философии, доцент физики в Университете Колледжа искусств и искусств Буффало. наук.
Банерджи - ведущий исследователь нового исследования, в котором выясняется, почему этого не происходит.
Соавторы исследования включают первого автора и аспиранта физики Ибрахима Альшарида; аспирант-физик Таранприт Каур; бакалавр Джейсон Нго; студентка факультета физики и математики Ханна Сеппала; бакалавр биомедицинской инженерии Лиз-Одри Джомнанг Кунаце; и постдокторские исследователи физики Вэй Ван и Махди Муса. Все из UB.
Капли не будут легко смешиваться, если они приобретут гелеобразное состояние
Результаты, опубликованные 22 августа в Журнале Американского химического общества, указывают на химическую структуру белков и молекул РНК в каплях как на ключевой фактор, который может препятствовать смешиванию MLO.
Команда обнаружила, что некоторые типы РНК и белков «более липкие», чем другие, что позволяет им образовывать желеобразные капли, которые не сливаются легко с другими каплями в том же вязкоупругом состоянии. В частности, капли, скорее всего, будут гелеобразными, если они содержат молекулы РНК, богатые строительным блоком, называемым пурином, и белки, богатые аминокислотой, называемой аргинином..
Эксперименты не проводились в клетках. Вместо этого результаты были основаны на тестах, проведенных на модельных системах, состоящих из РНК и каплеобразующего белка, называемого слитым в саркоме (FUS), плавающим в буферном растворе.
Одной из причин, по которой ФУЗ представляет интерес для исследователей, является его потенциальная связь с нейродегенеративным заболеванием - боковым амиотрофическим склерозом (БАС). Как объясняет Банерджи, белковые молекулы, богатые аргинином, связаны с распространенной формой заболевания, известной как БАС, опосредованный c9orf72.
«Наше открытие указывает на особую роль белков, богатых аргинином, в определении материального состояния - жидкости или геля - безмембранных органелл», - говорит Банерджи. «Это исследование может быть важным для понимания того, как связанные с БАС белки, богатые аргинином, могут изменять вязкоупругое состояние MLO, богатых РНК».
В дополнение к пониманию того, почему MLO сопротивляются смешиванию (из-за повышенной вязкоупругости), исследование исследовало роль РНК в формировании и растворении жидких органелл, содержащих FUS. Исследование показало, что для изучаемого типа капель добавление низких концентраций РНК к раствору, содержащему белки, вызывает образование капель. Но по мере добавления РНК капли растворялись.
«Обычно существует очень небольшое окно, в котором эти капли существуют, но окно значительно шире для белков, богатых аргинином», - говорит Банерджи.
Сложная жизнь жидких органелл
Новый документ является последним в серии исследований, которые группа Банерджи провела для изучения факторов, управляющих созданием, поддержанием и роспуском MLO.
Хотя команда использует модельные системы для изучения индивидуальных свойств капель, вполне вероятно, что многие силы работают вместе в клетке, чтобы определить поведение и функции органелл, говорит он. Например, может быть несколько других механизмов, которые заставляют MLO принимать желеобразное состояние или иным образом отказываться смешиваться.
«Клетки чрезвычайно сложны, в них много различных молекул, подвергающихся различным процессам, которые объединяются в одно и то же время, чтобы влиять на то, что происходит внутри MLO», - говорит Банерджи. «Используя модельные системы, мы можем лучше понять, как одна конкретная переменная может влиять на формирование и растворение этих органелл. И мы действительно ожидаем увидеть те же самые силы в природе, внутри клеток."