Μια νέα πηγή κυτταρικής τάξης στη Χημεία της Ζωής

Φανταστείτε να μαζεύουμε όλους τους ανθρώπους στον κόσμο στη Μεγάλη Σαλτ Λέικ στη Γιούτα — όλοι μας κολλάμε ώμο με ώμο, αλλά και να φορτίζουμε ο ένας τον άλλον με τρελά υψηλές ταχύτητες. Αυτό σας δίνει κάποια ιδέα για το πόσο πυκνές είναι οι 5 δισεκατομμύρια πρωτεΐνες σε ένα τυπικό κύτταρο, είπε ο Anthony Hyman, Βρετανός κυτταρικός βιολόγος και διευθυντής του Ινστιτούτου Μοριακής Κυτταρικής Βιολογίας και Γενετικής Max Planck στη Δρέσδη.

Κάπως σε αυτό το πολυσύχναστο κυτταρόπλασμα, τα ένζυμα πρέπει να βρουν τα υποστρώματά τους και τα μόρια σηματοδότησης πρέπει να βρουν τους υποδοχείς τους, ώστε το κύτταρο να μπορεί να εκτελέσει το έργο της ανάπτυξης, της διαίρεσης και της επιβίωσης. Εάν τα κύτταρα έκλειναν σάκους ομοιόμορφα αναμεμειγμένου κυτταροπλάσματος, αυτό θα ήταν δύσκολο να επιτευχθεί. Αλλά δεν είναι. Τα δεσμευμένα σε μεμβράνη οργανίδια βοηθούν στην οργάνωση ορισμένων από τα περιεχόμενα, διαμερίζοντας χρήσιμα σετ υλικών και παρέχοντας επιφάνειες που επιτρέπουν σημαντικές διεργασίες, όπως η παραγωγή ATP, το βιοχημικό καύσιμο των κυττάρων. Όμως, καθώς οι επιστήμονες μόλις αρχίζουν να το εκτιμούν, είναι μόνο μία πηγή τάξης.

Πρόσφατα πειράματα αποκαλύπτουν ότι ορισμένες πρωτεΐνες συγκεντρώνονται αυθόρμητα σε παροδικά συγκροτήματα που ονομάζονται συμπυκνώματα, ως απόκριση σε μοριακές δυνάμεις που εξισορροπούν με ακρίβεια τις μεταβάσεις μεταξύ του σχηματισμού και της διάλυσης των σταγονιδίων μέσα στο κύτταρο. Τα συμπυκνώματα, που μερικές φορές αναφέρονται ως οργανίδια χωρίς μεμβράνη, μπορούν να δεσμεύσουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες από το υπόλοιπο κυτταρόπλασμα, αποτρέποντας ανεπιθύμητες βιοχημικές αντιδράσεις και αυξάνοντας σημαντικά την αποτελεσματικότητα των χρήσιμων. Αυτές οι ανακαλύψεις αλλάζουν τη θεμελιώδη κατανόησή μας για το πώς λειτουργούν τα κύτταρα.

Για παράδειγμα, τα συμπυκνώματα μπορεί να εξηγήσουν την ταχύτητα πολλών κυτταρικών διεργασιών. «Το βασικό πράγμα για ένα συμπύκνωμα - δεν είναι σαν ένα εργοστάσιο. μοιάζει περισσότερο με flash mob. Ανοίγεις το ραδιόφωνο και έρχονται όλοι μαζί, και μετά το σβήνεις και όλοι εξαφανίζονται», είπε ο Hyman.

Ως εκ τούτου, ο μηχανισμός είναι «εξαιρετικά ρυθμιζόμενος», είπε ο Gary Karpen, κυτταρικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley. «Μπορείτε να σχηματίσετε αυτά τα πράγματα και να τα διαλύσετε πολύ εύκολα αλλάζοντας απλώς τις συγκεντρώσεις των μορίων» ή τροποποιώντας χημικά τις πρωτεΐνες. Αυτή η ακρίβεια παρέχει μόχλευση για τον έλεγχο μιας σειράς άλλων φαινομένων, συμπεριλαμβανομένης της γονιδιακής έκφρασης.

Ο πρώτος υπαινιγμός αυτού του μηχανισμού έφτασε το καλοκαίρι του 2008, όταν ο Hyman και ο τότε μεταδιδακτορικός συνάδελφός του Cliff Brangwynne (τώρα ερευνητής του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον) δίδασκαν στο διάσημο μάθημα φυσιολογίας του Marine Biological Laboratory και μελετούσαν την εμβρυϊκή ανάπτυξη. του C. elegans στρογγυλά σκουλήκια. Όταν αυτοί και οι μαθητές τους παρατήρησαν ότι συσσωματώματα RNA στο γονιμοποιημένο αυγό σκουληκιού σχημάτισαν σταγονίδια που μπορούσαν να διασπαστούν ή να συγχωνευτούν μεταξύ τους, οι Hyman και Brangwynne υπέθεσαν ότι αυτοί οι «κοκκίδες P» σχηματίστηκαν μέσω διαχωρισμού φάσεων στο κυτταρόπλασμα, ακριβώς όπως τα σταγονίδια ελαίου στο μια βινεγκρέτ.

Αυτή η πρόταση, που δημοσιεύτηκε το 2009 στο Science , δεν τράβηξε πολλή προσοχή εκείνη τη στιγμή. Αλλά περισσότερα έγγραφα σχετικά με τον διαχωρισμό φάσεων στα κύτταρα κυκλοφόρησαν γύρω στο 2012, συμπεριλαμβανομένου ενός βασικού πειράματος στο εργαστήριο του Michael Rosen στο University of Texas Southwestern Medical Center στο Ντάλας, το οποίο έδειξε ότι οι πρωτεΐνες σηματοδότησης κυττάρων μπορούν επίσης να επιδείξουν αυτή τη συμπεριφορά διαχωρισμού φάσης. Μέχρι το 2015, η ροή των χαρτιών είχε μετατραπεί σε χείμαρρο και από τότε υπήρξε μια πραγματική πλημμύρα έρευνας για τα βιομοριακά συμπυκνώματα, αυτά τα κυτταρικά διαμερίσματα που μοιάζουν με υγρά με ελαστικές και ιξώδεις ιδιότητες.

Τώρα οι κυτταρικοί βιολόγοι φαίνεται να βρίσκουν συμπυκνώματα παντού:στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης, στο σχηματισμό μιτωτικών ατράκτων, στη συναρμολόγηση ριβοσωμάτων και σε πολλές άλλες κυτταρικές διεργασίες στον πυρήνα και στο κυτταρόπλασμα. Αυτά τα συμπυκνώματα δεν είναι απλώς νέα αλλά προκαλούν σκέψη:Η ιδέα ότι οι λειτουργίες τους προκύπτουν από τις συλλογικές συμπεριφορές των μορίων έχει γίνει η κεντρική ιδέα στη βιολογία των συμπυκνωμάτων και έρχεται σε έντονη αντίθεση με την κλασική εικόνα των ζευγών βιοχημικών παραγόντων και των στόχων τους. που ταιριάζουν μεταξύ τους σαν κλειδαριές και κλειδιά. Οι ερευνητές εξακολουθούν να ανακαλύπτουν πώς να διερευνήσουν τη λειτουργικότητα αυτών των αναδυόμενων ιδιοτήτων. που θα απαιτήσει την ανάπτυξη νέων τεχνικών για τη μέτρηση και τον χειρισμό του ιξώδους και άλλων ιδιοτήτων των μικροσκοπικών σταγονιδίων σε ένα κύτταρο.

Τι προκαλεί το σχηματισμό σταγονιδίων

Όταν οι βιολόγοι προσπαθούσαν για πρώτη φορά να εξηγήσουν τι οδηγεί το φαινόμενο διαχωρισμού φάσης πίσω από τη συμπύκνωση στα ζωντανά κύτταρα, η δομή των ίδιων των πρωτεϊνών προσέφερε ένα φυσικό σημείο έναρξης. Οι καλά διπλωμένες πρωτεΐνες έχουν τυπικά ένα μείγμα υδρόφιλων και υδρόφοβων αμινοξέων. Τα υδρόφοβα αμινοξέα τείνουν να θάβονται μέσα στις πρωτεϊνικές πτυχές, μακριά από τα μόρια του νερού, ενώ τα υδρόφιλα αμινοξέα έλκονται στην επιφάνεια. Αυτά τα υδρόφοβα και υδρόφιλα αμινοξέα καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο η πρωτεΐνη διπλώνει και διατηρεί το σχήμα της.

Αλλά μερικές πρωτεϊνικές αλυσίδες έχουν σχετικά λίγα υδρόφοβα αμινοξέα, επομένως δεν έχουν λόγο να διπλώνουν. Αντίθετα, αυτές οι εγγενώς διαταραγμένες πρωτεΐνες (IDPs) παρουσιάζουν διακυμάνσεις στη μορφή και εμπλέκονται σε πολλές αδύναμες πολυσθενείς αλληλεπιδράσεις. Οι αλληλεπιδράσεις IDP θεωρούνταν για χρόνια ως η καλύτερη εξήγηση για τη συμπεριφορά των σταγονιδίων που μοιάζει με υγρό.

Πέρυσι, ωστόσο, η Brangwynne δημοσίευσε μερικές εργασίες που υπογράμμισαν ότι οι εκτοπισμένοι είναι σημαντικοί, αλλά ότι «το πεδίο έχει πάει πολύ μακριά για να τους τονίσει». Οι περισσότερες πρωτεΐνες που εμπλέκονται στα συμπυκνώματα, λέει, έχουν μια κοινή αρχιτεκτονική με ορισμένες δομημένες περιοχές και μερικές διαταραγμένες περιοχές. Για τη σπορά των συμπυκνωμάτων, τα μόρια πρέπει να έχουν πολλές αδύναμες πολυσθενείς αλληλεπιδράσεις με άλλα, και υπάρχει ένας άλλος τρόπος για να επιτευχθεί αυτό:ο ολιγομερισμός.

Ο ολιγομερισμός συμβαίνει όταν οι πρωτεΐνες συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν μεγαλύτερα σύμπλοκα με επαναλαμβανόμενες μονάδες, που ονομάζονται ολιγομερή. Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των πρωτεϊνών, αυξάνεται και ο διαχωρισμός φάσεων και ο σχηματισμός ολιγομερών. Σε μια ομιλία στη συνάντηση της Αμερικανικής Εταιρείας Κυτταρικής Βιολογίας τον Δεκέμβριο, ο Brangwynne έδειξε ότι καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των ολιγομερών, η ισχύς των αλληλεπιδράσεών τους τελικά ξεπερνά το φράγμα της πυρηνοποίησης, την ενέργεια που απαιτείται για τη δημιουργία μιας επιφάνειας που χωρίζει το συμπύκνωμα από το υπόλοιπο κυτόπλασμα. Σε εκείνο το σημείο, οι πρωτεΐνες περιέχονται μέσα σε ένα σταγονίδιο.

Τα τελευταία πέντε χρόνια, οι ερευνητές έχουν κάνει μεγάλα βήματα για να κατανοήσουν πώς αυτή η συλλογική συμπεριφορά των πρωτεϊνών προκύπτει από μικροσκοπικές φυσικές και χημικές δυνάμεις. Αλλά εξακολουθούν να μαθαίνουν πώς (και αν) τα κύτταρα χρησιμοποιούν πραγματικά αυτό το φαινόμενο για να αναπτυχθούν και να διαιρεθούν.

Συμπυκνώματα και γονιδιακή έκφραση

Τα συμπυκνώματα φαίνεται να εμπλέκονται σε πολλές πτυχές της κυτταρικής βιολογίας, αλλά ένας τομέας που έχει λάβει ιδιαίτερη προσοχή είναι η γονιδιακή έκφραση και η παραγωγή πρωτεϊνών.

Τα ριβοσώματα είναι εργοστάσια παραγωγής πρωτεϊνών των κυττάρων και ο αριθμός τους σε ένα κύτταρο συχνά περιορίζει τον ρυθμό ανάπτυξής του. Η εργασία του Brangwynne και άλλων υποδηλώνει ότι τα ταχέως αναπτυσσόμενα κύτταρα μπορεί να λάβουν κάποια βοήθεια από το μεγαλύτερο συμπύκνωμα στον πυρήνα:τον πυρήνα. Ο πυρήνας διευκολύνει την ταχεία μεταγραφή των ριβοσωμικών RNA συγκεντρώνοντας όλο τον απαιτούμενο μηχανισμό μεταγραφής, συμπεριλαμβανομένου του ειδικού ενζύμου (RNA πολυμεράση Ι) που τα παράγει.

Πριν από μερικά χρόνια, ο Brangwynne και η τότε μεταδιδακτορική του Stephanie Weber, η οποία είναι τώρα επίκουρη καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο McGill στο Μόντρεαλ, ερεύνησαν πώς ελέγχονταν το μέγεθος του πυρήνα (και επομένως η ταχύτητα της σύνθεσης ριβοσωμικού RNA) στις αρχές του ΝΤΟ. elegans έμβρυα. Επειδή το μητρικό σκουλήκι συνεισφέρει τον ίδιο αριθμό πρωτεϊνών σε κάθε έμβρυο, τα μικρά έμβρυα έχουν υψηλές συγκεντρώσεις πρωτεϊνών και τα μεγάλα έμβρυα χαμηλές. Και όπως ανέφεραν οι ερευνητές σε μια Τρέχουσα Βιολογία του 2015 χαρτί, το μέγεθος των πυρήνων εξαρτάται από τη συγκέντρωση:Τα μικρά κύτταρα έχουν μεγάλους πυρήνες και τα μεγάλα κύτταρα έχουν μικρούς.

Οι Brangwynne και Weber διαπίστωσαν ότι αλλάζοντας τεχνητά το μέγεθος των κυττάρων, μπορούσαν να αυξήσουν και να μειώσουν τη συγκέντρωση πρωτεΐνης και το μέγεθος των πυρήνων που προέκυψαν. Στην πραγματικότητα, αν μείωναν τη συγκέντρωση κάτω από ένα κρίσιμο όριο, δεν υπήρχε διαχωρισμός φάσεων και πυρήνας. Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο βασισμένο στη φυσική του σχηματισμού συμπυκνωμάτων που θα μπορούσε να προβλέψει ακριβώς το μέγεθος των πυρήνων στα κύτταρα.

Τώρα ο Weber ψάχνει για συμπυκνώματα σε βακτήρια, τα οποία έχουν μικρότερα κύτταρα και δεν είναι συνδεδεμένα με τη μεμβράνη διαμερίσματα. «Ίσως αυτός είναι ένας ακόμη πιο σημαντικός μηχανισμός για τη διαμερισματοποίηση, επειδή [τα βακτήρια] δεν έχουν εναλλακτική λύση», πρότεινε.

Το περασμένο καλοκαίρι, ο Weber δημοσίευσε μια μελέτη που δείχνει ότι σε κύτταρα βραδείας ανάπτυξης E. coli βακτήρια, το ένζυμο RNA πολυμεράση είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο, αλλά σε ταχέως αναπτυσσόμενα κύτταρα συγκεντρώνεται σε σταγονίδια. Τα ταχέως αναπτυσσόμενα κύτταρα μπορεί να χρειαστεί να συγκεντρώσουν την πολυμεράση γύρω από τα ριβοσωματικά γονίδια για να συνθέσουν αποτελεσματικά το ριβοσωμικό RNA.

"Φαίνεται ότι [ο διαχωρισμός φάσης] είναι σε όλους τους τομείς της ζωής και ένας παγκόσμιος μηχανισμός που μπόρεσε στη συνέχεια να εξειδικευτεί σε μια ολόκληρη δέσμη διαφορετικών λειτουργιών", είπε ο Weber.

Αν και οι Weber και Brangwynne έδειξαν ότι η ενεργή μεταγραφή συμβαίνει σε ένα μεγάλο συμπύκνωμα, τον πυρήνα, άλλα συμπυκνώματα στον πυρήνα κάνουν το αντίθετο. Μεγάλα τμήματα του DNA στον πυρήνα ταξινομούνται ως ετεροχρωματίνη επειδή είναι πιο συμπαγή και γενικά δεν εκφράζονται ως πρωτεΐνες. Το 2017, ο Karpen, η Amy Strom (η οποία είναι τώρα μεταδιδακτορική στο εργαστήριο του Brangwynne) και οι συνάδελφοί τους έδειξαν ότι μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη θα υποστεί διαχωρισμό φάσεων και θα σχηματίσει σταγονίδια στην ετεροχρωματίνη στο Drosophila έμβρυα. Αυτά τα σταγονίδια μπορούν να συντηχθούν μεταξύ τους, παρέχοντας πιθανώς έναν μηχανισμό για τη συμπίεση της ετεροχρωματίνης μέσα στον πυρήνα.

Τα αποτελέσματα πρότειναν επίσης μια συναρπαστική πιθανή εξήγηση για ένα μακροχρόνιο μυστήριο. Πριν από χρόνια, οι γενετιστές ανακάλυψαν ότι αν έπαιρναν ένα ενεργά εκφραζόμενο γονίδιο και το τοποθετούσαν ακριβώς δίπλα στην ετεροχρωματίνη, το γονίδιο θα σιωπούσε, σαν να εξαπλώνεται η κατάσταση της ετεροχρωματίνης. "Αυτό το φαινόμενο της εξάπλωσης ήταν κάτι που προέκυψε νωρίς και κανείς δεν το κατάλαβε πραγματικά", είπε ο Karpen.

Αργότερα, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένζυμα που εμπλέκονται στην επιγενετική ρύθμιση που ονομάζονται μεθυλοτρανσφεράσες, και υπέθεσαν ότι οι μεθυλοτρανσφεράσες απλώς θα προχωρούσαν από τη μια ιστόνη στην επόμενη στον κλώνο του DNA από την ετεροχρωματίνη στη γειτονική ευχρωματίνη, ένα είδος «ενζυματικού, επεξεργατικού μηχανισμού», Karpen. είπε. Αυτό ήταν το κυρίαρχο μοντέλο για να εξηγήσει το φαινόμενο εξάπλωσης τα τελευταία 20 χρόνια. Αλλά ο Karpen πιστεύει ότι τα συμπυκνώματα που κάθονται στην ετεροχρωματίνη, όπως τα υγρά σφαιρίδια σε μια χορδή, θα μπορούσαν να είναι προϊόντα ενός διαφορετικού μηχανισμού που ευθύνεται για την εξάπλωση της σιωπηλής κατάστασης ετεροχρωματίνης. «Αυτοί είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί τρόποι για να σκεφτούμε πώς λειτουργεί η βιολογία», είπε. Τώρα εργάζεται για να ελέγξει την υπόθεση.

Ο σχηματισμός νηματίων

Τα συμπυκνώματα βοήθησαν επίσης να λυθεί ένα διαφορετικό κυτταρικό μυστήριο - όχι μέσα στον πυρήνα, αλλά κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης. Όταν ένας συνδέτης συνδέεται με μια πρωτεΐνη υποδοχέα στην επιφάνεια ενός κυττάρου, ξεκινά έναν καταρράκτη μοριακών αλλαγών και κινήσεων που μεταφέρουν ένα σήμα μέσω του κυτταροπλάσματος. Αλλά για να συμβεί αυτό, κάτι πρέπει πρώτα να συγκεντρώσει όλους τους διασκορπισμένους παίκτες στον μηχανισμό. Οι ερευνητές πιστεύουν τώρα ότι ο διαχωρισμός φάσεων μπορεί να είναι ένα τέχνασμα που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να ομαδοποιήσουν τα απαιτούμενα μόρια σηματοδότησης στον υποδοχέα της μεμβράνης, εξηγεί η Lindsay Case, η οποία εκπαιδεύτηκε στο εργαστήριο Rosen ως μεταδιδάκτορας και ξεκινά το δικό της εργαστήριο στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης αυτόν τον μήνα.

Ο Case σημειώνει ότι οι τροποποιήσεις πρωτεΐνης που χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μεταγωγή σημάτων, όπως η προσθήκη φωσφορυλικών ομάδων, αλλάζουν το σθένος μιας πρωτεΐνης - δηλαδή την ικανότητά της να αλληλεπιδρά με άλλα μόρια. Επομένως, οι τροποποιήσεις επηρεάζουν επίσης την τάση των πρωτεϊνών να σχηματίζουν συμπυκνώματα. "Αν σκεφτείτε τι κάνει ένα κύτταρο, στην πραγματικότητα ρυθμίζει αυτήν την παράμετρο σθένους", είπε ο Case.

Τα συμπυκνώματα μπορεί επίσης να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση και την οργάνωση του πολυμερισμού μικρών μονομερών υπομονάδων σε μακρά πρωτεϊνικά νήματα. «Επειδή συγκεντρώνετε μόρια μαζί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ό,τι θα κάνατε έξω από το συμπύκνωμα, αυτό ευνοεί τον πολυμερισμό», είπε ο Κέις. Στη μεταδιδακτορική έρευνά της, διαπίστωσε ότι τα συμπυκνώματα ενισχύουν τον πολυμερισμό της ακτίνης σε νήματα που βοηθούν τα εξειδικευμένα κύτταρα των νεφρών να διατηρήσουν τα ασυνήθιστα σχήματά τους.

Ο πολυμερισμός της τουμπουλίνης είναι το κλειδί για το σχηματισμό των μιτωτικών ατράκτων που βοηθούν τη διαίρεση των κυττάρων. Ο Hyman άρχισε να ενδιαφέρεται να κατανοήσει τον σχηματισμό μιτωτικών ατράκτων κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών του σπουδών στο Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ τη δεκαετία του 1980. Εκεί, μελέτησε πώς το μονοκύτταρο C. elegans Το έμβρυο σχηματίζει μια μιτωτική άτρακτο πριν χωριστεί σε δύο κύτταρα. Τώρα διερευνά τον ρόλο των συμπυκνωμάτων σε αυτή τη διαδικασία.

Σε ένα πείραμα in vitro, ο Hyman και η ομάδα του δημιούργησαν σταγονίδια της πρωτεΐνης tau που δεσμεύει τους μικροσωληνίσκους και στη συνέχεια πρόσθεσαν τουμπουλίνη, η οποία μεταναστεύει στα σταγονίδια tau. Όταν πρόσθεσαν νουκλεοτίδια στις σταγόνες για να προσομοιώσουν τον πολυμερισμό, τα μονομερή τουμπουλίνης συγκεντρώθηκαν σε όμορφους μικροσωληνίσκους. Ο Hyman και οι συνεργάτες του έχουν προτείνει ότι ο διαχωρισμός φάσεων θα μπορούσε να είναι ένας γενικός τρόπος για τα κύτταρα να ξεκινήσουν τον πολυμερισμό των μικροσωληνίσκων και το σχηματισμό της μιτωτικής ατράκτου.

Η πρωτεΐνη tau είναι επίσης γνωστή για το σχηματισμό των πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων που είναι τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της νόσου του Alzheimer. Στην πραγματικότητα, πολλές νευροεκφυλιστικές καταστάσεις, όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS) και η νόσος του Πάρκινσον, περιλαμβάνουν τον ελαττωματικό σχηματισμό πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων στα κύτταρα.

Για να διερευνήσει πώς μπορεί να σχηματιστούν αυτά τα συσσωματώματα, η ομάδα του Hyman εστίασε σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται FUS που έχει μεταλλαγμένες μορφές που σχετίζονται με το ALS. Η πρωτεΐνη FUS βρίσκεται κανονικά στον πυρήνα, αλλά σε στρεσογόνα κύτταρα, η πρωτεΐνη φεύγει από τον πυρήνα και πηγαίνει στο κυτταρόπλασμα, όπου σχηματίζεται σε σταγονίδια. Η ομάδα του Hyman ανακάλυψε ότι όταν έφτιαξαν σταγονίδια μεταλλαγμένων πρωτεϊνών FUS in vitro, μόνο μετά από οκτώ περίπου ώρες τα σταγονίδια στερεοποιήθηκαν σε αυτό που αποκαλεί «φρικτά συσσωματώματα». Οι μεταλλαγμένες πρωτεΐνες οδήγησαν μια μετάβαση φάσης από υγρό σε στερεό πολύ πιο γρήγορα από ό,τι έκανε η κανονική μορφή FUS.

Ίσως το ερώτημα δεν είναι γιατί τα συσσωματώματα σχηματίζονται σε ασθένεια, αλλά γιατί δεν σχηματίζονται σε υγιή κύτταρα. «Ένα από τα πράγματα που ρωτάω συχνά στις ομαδικές συναντήσεις είναι:Γιατί το κελί δεν είναι ομελέτα;» Ο Hyman είπε στην ομιλία του στη συνάντηση κυτταρικής βιολογίας. η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες του κυτταροπλάσματος είναι "τόσο συγκεντρωμένη που θα έπρεπε απλώς να εκραγεί από το διάλυμα".

Μια ένδειξη ήρθε όταν ερευνητές στο εργαστήριο του Hyman πρόσθεσαν το κυτταρικό καύσιμο ATP σε συμπυκνώματα καθαρισμένων πρωτεϊνών κόκκων στρες και είδαν αυτά τα συμπυκνώματα να εξαφανίζονται. Για περαιτέρω διερεύνηση, οι ερευνητές έβαλαν ασπράδια αυγών σε δοκιμαστικούς σωλήνες, πρόσθεσαν ATP στο ένα σωληνάριο και αλάτι στο άλλο και στη συνέχεια τα θερμάνουν. Ενώ τα ασπράδια του αυγού στο αλάτι συσσωρεύτηκαν, αυτά με ATP όχι:Το ATP εμπόδιζε τη συσσώρευση πρωτεϊνών στις συγκεντρώσεις που βρέθηκαν στα ζωντανά κύτταρα.

Αλλά πως? Παρέμεινε ένα παζλ μέχρι που ο Hyman συνάντησε τυχαία έναν χημικό όταν παρουσίαζε ένα σεμινάριο στη Μπανγκαλόρ. Ο χημικός σημείωσε ότι στις βιομηχανικές διεργασίες, τα πρόσθετα που ονομάζονται υδρότροπα χρησιμοποιούνται για την αύξηση της διαλυτότητας των υδρόφοβων μορίων. Επιστρέφοντας στο εργαστήριό του, ο Hyman και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι το ATP λειτούργησε εξαιρετικά ως υδρότροπο.

Περιέργως, το ATP είναι ένας πολύ άφθονος μεταβολίτης στα κύτταρα, με τυπική συγκέντρωση 3-5 millimolar. Τα περισσότερα ένζυμα που χρησιμοποιούν ATP λειτουργούν αποτελεσματικά με συγκεντρώσεις τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερες. Γιατί, λοιπόν, το ATP είναι τόσο συγκεντρωμένο μέσα στα κύτταρα, αν δεν χρειάζεται για να προκαλέσει μεταβολικές αντιδράσεις;

Μια υποψήφια εξήγηση, προτείνει ο Hyman, είναι ότι το ATP δεν δρα ως υδρότροπο κάτω από 3-5 millimolar. "Μια πιθανότητα είναι ότι στην αρχή της ζωής, το ATP μπορεί να έχει εξελιχθεί ως βιολογικό υδρότροπο για να διατηρεί τα βιομόρια διαλυτά σε υψηλή συγκέντρωση και αργότερα να επιλέγεται ως ενέργεια", είπε.

Είναι δύσκολο να δοκιμαστεί πειραματικά αυτή η υπόθεση, παραδέχεται ο Hyman, επειδή είναι δύσκολο να χειριστεί κανείς τις υδροτροπικές ιδιότητες του ATP χωρίς επίσης να επηρεάσει την ενεργειακή του λειτουργία. Αλλά αν η ιδέα είναι σωστή, θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγήσουμε γιατί σχηματίζονται συνήθως συσσωματώματα πρωτεΐνης σε ασθένειες που σχετίζονται με τη γήρανση, επειδή η παραγωγή ATP γίνεται λιγότερο αποτελεσματική με την ηλικία.

Άλλες χρήσεις για σταγονίδια

Τα πρωτεϊνικά συσσωματώματα είναι σαφώς κακά σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Αλλά η μετάβαση από υγρή σε στερεή φάση μπορεί να είναι προσαρμοστική σε άλλες συνθήκες.

Πάρτε αρχέγονα ωοκύτταρα, κύτταρα στις ωοθήκες που μπορούν να μείνουν αδρανείς για δεκαετίες πριν ωριμάσουν σε ωάριο. Κάθε ένα από αυτά τα κύτταρα έχει ένα σώμα Balbiani, ένα μεγάλο συμπύκνωμα αμυλοειδούς πρωτεΐνης που βρίσκεται στα ωοκύτταρα των οργανισμών που κυμαίνονται από αράχνες έως ανθρώπους. Το σώμα Balbiani πιστεύεται ότι προστατεύει τα μιτοχόνδρια κατά τη διάρκεια της αδρανούς φάσης του ωοκυττάρου συγκεντρώνοντας την πλειοψηφία των μιτοχονδρίων μαζί με μακριές αμυλοειδείς πρωτεϊνικές ίνες. Όταν το ωάριο αρχίζει να ωριμάζει σε ωάριο, αυτές οι αμυλοειδείς ίνες διαλύονται και το σώμα Balbiani εξαφανίζεται, εξηγεί ο Elvan Böke, κυτταρικός και αναπτυξιακός βιολόγος στο Κέντρο Γονιδιωματικής Ρύθμισης στη Βαρκελώνη. Ο Böke εργάζεται για να κατανοήσει πώς αυτές οι αμυλοειδείς ίνες συναρμολογούνται και διαλύονται, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες στρατηγικές για τη θεραπεία της υπογονιμότητας ή των νευροεκφυλιστικών ασθενειών.

Τα συσσωματώματα πρωτεΐνης μπορούν επίσης να λύσουν προβλήματα που απαιτούν πολύ γρήγορες φυσιολογικές αποκρίσεις, όπως η διακοπή της αιμορραγίας μετά από τραυματισμό. Για παράδειγμα, Mucor circinelloides είναι ένα είδος μυκήτων με διασυνδεδεμένα, υπό πίεση δίκτυα ριζοειδών υφών μέσω των οποίων ρέουν τα θρεπτικά συστατικά. Ερευνητές στο εργαστήριο Temasek Life Sciences Laboratory με επικεφαλής τον εξελικτικό κυτταρικό βιολόγο Greg Jedd ανακάλυψαν πρόσφατα ότι όταν τραυμάτισαν την άκρη ενός Mucor υφά, το πρωτόπλασμα ξεχύθηκε στην αρχή αλλά σχεδόν ακαριαία σχημάτισε ένα ζελατινώδες βύσμα που σταμάτησε την αιμορραγία.

Ο Jedd υποψιαζόταν ότι αυτή η απόκριση προκλήθηκε από ένα μακρύ πολυμερές, πιθανώς μια πρωτεΐνη με επαναλαμβανόμενη δομή. Οι ερευνητές εντόπισαν δύο υποψήφιες πρωτεΐνες και διαπίστωσαν ότι, χωρίς αυτές, τραυματισμένοι μύκητες αιμορραγούσαν καταστροφικά σε μια λακκούβα πρωτοπλάσματος.

Ο Jedd και οι συνεργάτες του μελέτησαν τη δομή των δύο πρωτεϊνών, τις οποίες ονόμασαν gellin A και gellin B. Οι πρωτεΐνες είχαν 10 επαναλαμβανόμενες περιοχές, μερικές από τις οποίες είχαν υδρόφοβα αμινοξέα που μπορούσαν να συνδεθούν με τις κυτταρικές μεμβράνες. Οι πρωτεΐνες ξεδιπλώθηκαν επίσης με δυνάμεις παρόμοιες με αυτές που θα αντιμετώπιζαν όταν το πρωτόπλασμα αναβλύζει στο σημείο ενός τραυματισμού. «Υπάρχει αυτή η τεράστια επιτάχυνση στη ροή, και έτσι σκεφτήκαμε ότι ίσως αυτό είναι το έναυσμα που λέει στο gellin να αλλάξει την κατάστασή του», είπε ο Jedd. Το βύσμα, που ενεργοποιείται από μια φυσική ένδειξη που προκαλεί τη μετάβαση της ζελίνης από υγρή σε στερεή φάση, στερεοποιείται μη αναστρέψιμα.

Αντίθετα, στα είδη μυκήτων Neurospora , οι υφές χωρίζονται σε διαμερίσματα, με πόρους που ρυθμίζουν τη ροή του νερού και των θρεπτικών συστατικών. Ο Τζεντ ήθελε να μάθει πώς άνοιγαν και έκλεισαν οι πόροι. «Αυτό που ανακαλύψαμε είναι κάποιες εγγενώς διαταραγμένες πρωτεΐνες που φαίνεται να υφίστανται μια συμπύκνωση για να συσσωματωθούν στον πόρο, για να παρέχουν έναν μηχανισμό για το κλείσιμό του», εξήγησε ο Jedd.

Η Neurospora Οι πρωτεΐνες που ήταν υποψήφιες για αυτή τη δουλειά, έμαθε η ομάδα του Jedd, είχαν επαναλαμβανόμενους τομείς μικτού φορτίου που θα μπορούσαν να βρεθούν και σε ορισμένες πρωτεΐνες θηλαστικών. Όταν οι ερευνητές συνέθεσαν πρωτεΐνες διαφορετικών συνθέσεων αλλά με παρόμοια μείγματα μηκών και μοτίβων φορτίου και τις εισήγαγαν σε κύτταρα θηλαστικών, διαπίστωσαν ότι οι πρωτεΐνες μπορούσαν να ενσωματωθούν σε πυρηνικά στίγματα, τα οποία είναι συμπυκνώματα στον πυρήνα των κυττάρων των θηλαστικών που βοηθούν στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης , όπως ανέφεραν αυτοί και οι συνάδελφοί τους με επικεφαλής τον Rohit Pappu του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις σε ένα Molecular Cell του 2020 χαρτί.

Το βασίλειο των μυκήτων και των θηλαστικών φαίνεται να έχει φτάσει ανεξάρτητα σε μια στρατηγική χρήσης διαταραγμένων ακολουθιών σε μηχανισμούς που βασίζονται στη συμπύκνωση, είπε ο Jedd, "αλλά το χρησιμοποιούν για εντελώς διαφορετικούς λόγους, σε διαφορετικά διαμερίσματα."

Επανεξέταση παλιών επεξηγήσεων

Ο διαχωρισμός φάσεων έχει αποδειχθεί ότι είναι πανταχού παρών και οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει πολλές ιδέες για το πώς αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να εμπλέκεται σε διάφορες κυτταρικές λειτουργίες. "Υπάρχουν πολλές συναρπαστικές πιθανότητες που εγείρει [ο διαχωρισμός φάσης], άρα αυτό είναι που νομίζω ότι ωθεί… το ενδιαφέρον για το πεδίο", είπε ο Karpen. Αλλά προειδοποιεί επίσης ότι ενώ είναι σχετικά εύκολο να δείξουμε ότι ένα μόριο υφίσταται διαχωρισμό φάσης σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα, είναι πολύ πιο δύσκολο να αποδειχθεί ότι ο διαχωρισμός φάσης έχει μια λειτουργία στο κύτταρο. «Ακόμα δεν γνωρίζουμε τόσα πολλά», είπε.

Η Brangwynne συμφώνησε. «Αν είστε πραγματικά ειλικρινείς, εξακολουθεί να είναι σχεδόν σε ένα κυματιστό στάδιο, ολόκληρο το πεδίο», είπε. «Είναι πολύ νωρίς για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί όλο αυτό. Το γεγονός ότι είναι κυματιστό δεν σημαίνει ότι ο διαχωρισμός υγρής φάσης δεν είναι η βασική κινητήρια δύναμη. Στην πραγματικότητα, νομίζω ότι είναι. Αλλά πώς λειτουργεί πραγματικά;»

Οι αβεβαιότητες δεν αποθαρρύνουν ούτε τον Hyman. «Τι ο διαχωρισμός φάσης επιτρέπει σε όλους να κάνουν είναι να γυρίσουν πίσω και να κοιτάξουν παλιά προβλήματα που στάθηκαν και να σκεφτούν:Μπορούμε τώρα να το σκεφτούμε με διαφορετικό τρόπο;» αυτός είπε. «Όλη η δομική βιολογία που έγινε ήταν απλά εξαιρετική — αλλά πολλά προβλήματα παρέμειναν. Δεν μπορούσαν πραγματικά να εξηγήσουν τα πράγματα. Και αυτό επέτρεψε ο διαχωρισμός φάσεων, είναι να σκεφτούν όλοι ξανά αυτά τα προβλήματα.»

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.