Внутри клетки находятся множество крошечных сборочных фабрик и складов, где собираются все необходимые живому организму белки и РНК, выполняющие инструкции нашей ДНК. Эти структуры называются биомолекулярными конденсатами. Они помогают регулировать деление клеток и их реакцию на стресс, изолируя и обрабатывая РНК и белки. Однако у них нет мембраны, которая отделяла бы их от остальной части ядра. Вместо этого их механизмы конденсируются вместе, подобно тому, как водяной пар ненадолго конденсируется, образуя облака в небе, — говорит профессор химии Мичиганского университета Нильс Вальтер.
Учёные пока не уверены, как работают процессы, контролирующие судьбу этих биомолекулярных капель. Визуализация этих процессов оказалась сложной задачей: всё внутри клетки движется, и это трудно точно определить, а биомолекулярные конденсаты имеют тенденцию перемещаться, когда их помещают на предметное стекло микроскопа для исследования.
Теперь исследователи из Мичиганского университета под руководством Вальтера разработали метод исследования внутренней части капель, сосредоточив внимание на белке, называемом FUS (fused in sarcoma), который часто конденсируется у пациентов с нейродегенеративным заболеванием — боковым амиотрофическим склерозом (БАС).
Они обнаружили, что движение молекул РНК и белка внутри этих биомолекулярных конденсатов замедляется в определённых бесконечно малых областях, которые исследователи называют нанодоменами. Со временем — по мере старения конденсатов — нанодомены перемещаются на поверхность капли.
Исследователи также применили к биомолекулярным конденсатам препараты, используемые для лечения БАС и подобных заболеваний, и увидели, что препараты могут действовать отчасти за счёт ускорения движения нанодоменов к поверхности капли, ускоряя образование там фибрилл. Считается, что эти фибриллы защищают нейроны от деградации, поскольку поглощают меньшие токсичные агрегаты во время прогрессирования БАС.
Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
«Есть большая надежда, что, манипулируя этими конденсатами, мы сможем использовать их в медицинских целях, например, для замедления нейродегенеративных заболеваний, создания для них репозитория лекарств, которые могут медленно высвобождаться с течением времени, или для изоляции нежелательных белков, таких как те, что связаны с раком или вирусами, путём индуцирования их конденсации», — сказал Вальтер, директор Центра биомедицины РНК в Мичиганском университете.
«Понимание того, как они образуются — и что развивается внутри них по мере их старения — имеет важное значение для поиска способов благотворно влиять на этот процесс», — добавил он.
FUS является центральным регулятором клеточного метаболизма РНК и конденсируется, когда клетки подвергаются стрессовой проводимости, называемой гипоосмотическим фазовым разделением. В этом состоянии клетка испытывает более высокую, чем обычно, концентрацию соли, что заставляет клетку адаптироваться, теряя воду и сокращаясь до 50%. Через некоторое время, когда стресс не снимается, клетки запускают программы экспрессии генов, чтобы снова увеличиться в размерах. Конденсация FUS может играть роль в облегчении запуска правильных программ.
Некоторые генетические мутации FUS приводят к раку и нейродегенеративным заболеваниям, таким как БАС. После мутации FUS накапливается и затем конденсируется в цитоплазме клетки. Скопление FUS с течением времени связано с БАС и лобно-височной деменцией. Но, по словам исследователей, зафиксировать прогрессирование этих патологических изменений сложно, как и запечатлеть изображения того, как FUS конденсируется, и как стареют конденсаты.
Для изучения конденсации FUS исследователи очистили полноразмерную форму белка. Сначала они добавили к белку тип сахара, который предотвращает его конденсацию и который они могли удалить по своему желанию, запуская конденсацию белка.
Исследователи пометили РНК-зонд и белок двумя разными цветами флуоресцентных красителей. Это позволило им использовать флуоресцентную микроскопию для отслеживания диффузии отдельных молекул РНК и белка в конденсированных каплях.
Но им пришлось преодолеть ещё одно препятствие: капли биомолекулярного конденсата трудно удерживать на месте, чтобы их можно было исследовать под микроскопом, говорит Вальтер.
«Если вы сделаете конденсат и поместите его на предметное стекло микроскопа, он может катиться по поверхности или покачиваться взад и вперёд. Если это произойдёт, то отслеживание частиц будет нарушено», — сказал Вальтер.
«Поэтому вам нужно иммобилизовать конденсаты на поверхности, но делать это нужно очень осторожно. Например, если у вас будет слишком много якорей на поверхности конденсата, он просто расплющится. Он станет похож на блинчик», — добавил он.
Исследовательская группа нашла золотую середину — ровно столько якорей, чтобы капля оставалась неподвижной, и, используя тип микроскопии, называемый HILO-микроскопией, исследователи могли отслеживать движение отдельных молекул внутри капли. Это позволило им увидеть, где частицы собирались внутри капли.
Техника также позволила исследователям наблюдать за формированием фибрилл вокруг этих FUS-конденсатов. Затем исследователи применили небольшие молекулы лекарств, используемых для лечения БАС, к биоконденсатам, чтобы увидеть, как они влияют на белки FUS. Они обнаружили, что лекарства заставляли кластеры нанодоменов FUS быстрее перемещаться на поверхность конденсата, откуда росли волокна.
«Но в целом наши выводы означают, что мы впервые видим в этих нанодоменах потенциальные зародыши этих волокон», — сказал Вальтер. «Возможно, препараты, которые мы использовали, — эдаравон и особенно рилузол — имеют ещё одно действие, помимо известных, помогая конденсатам быстрее фибролизироваться и защищать нейрон».
Вальтер говорит, что понимание механизмов внутри биомолекулярных конденсатов является важной темой для исследователей.
«Область фазовой конденсации взорвалась. В клетках есть множество таких фазовых конденсатов, которые либо ускоряют реакции, либо изолируют вещи, чтобы они не могли нанести вред», — сказал он. «В этой быстроразвивающейся области биологии изучается много биологии».