Ujawniono pierwsze dokładne dane dotyczące dynamicznych agregatów komórek molekularnych

W komórkach wiele procesów życiowych zachodzi w bezbłonowych zespołach molekularnych, co pomaga zapewnić, że zaangażowane cząsteczki mają prawidłowe stężenie i znajdują się blisko siebie. Naukowcy z CIBSS Excellence Group na Uniwersytecie we Fryburgu w Niemczech i Uniwersytecie w Cambridge w Wielkiej Brytanii dopiero teraz po raz pierwszy byli w stanie zaobserwować i przeanalizować powstawanie takich kondensatów w żywych komórkach. Na łamach czasopisma Nature Communications pokazują, że procesem tym nie sterują same siły fizyczne, ale także aktywne mechanizmy biologiczne. Udostępniono bezpłatnie protokoły eksperymentów i narzędzia analityczne, umożliwiające prowadzenie badań na małych agregatach nawet w mniej zaawansowanych laboratoriach.

Gdyby cząsteczki wewnątrz komórki były rozmieszczone całkowicie losowo, komórka nie byłaby żywotna. Podział na bardziej wyspecjalizowane przedziały jest niezbędny, aby wiele procesów biochemicznych przebiegało w sposób skoordynowany. Niektóre z tych przedziałów są oddzielone od siebie membranami, ale wiele innych nie. Te „bezbłonowe” zespoły molekularne, zwane także kondensatami, pełnią ważne funkcje biologiczne, ponieważ ich rozmiary i liczba są szczególnie elastyczne. Często przyjmuje się, że powstają one w wyniku fizycznego procesu „rozdzielania faz ciecz-ciecz”.

„Te supresory są ważnym mechanizmem kontrolnym w komórkach, ponieważ w razie potrzeby mogą przyspieszać lub spowalniać procesy biochemiczne” – wyjaśnia profesor Thorsten Hugel. Jest członkiem CIBSS Cluster of Excellence – Centre for Integrative Biological Signaling Studies na Uniwersytecie we Freiburgu i prowadził bieżące badania z profesorem Alexem Reinhardtem z Uniwersytetu w Cambridge.

Mniejsze kondensatory są trudniejsze do sprawdzenia

Hoegel mówi, że wciąż badane jest, w jaki sposób supresory pomagają komórce przetwarzać sygnały biologiczne i bodźce środowiskowe. „Badania zwykle koncentrują się na dużych, stacjonarnych kondensatorach, ponieważ są one łatwiejsze do zbadania. Jednak te duże kondensatory są zwykle tylko ostatnim etapem długiego procesu. Pod wieloma względami bardziej interesujące są małe kondensatory, które dynamicznie rosną i zanikają” – wyjaśnia. . Problem: z założenia składają się ze stosunkowo niewielu cząsteczek i dlatego są zbyt małe i szybkie nawet dla metod mikroskopii o wysokiej rozdzielczości do badania żywych komórek.

Nowa metoda, która pokonuje ograniczenia techniczne

W obecnym badaniu naukowcy z Freiburga i Cambridge opisują metodę obejścia tych technicznych ograniczeń. W szczególności wykorzystują konwencjonalną mikroskopię laserową pochylenia o wysokiej rozdzielczości, tak zwaną mikroskopię HILO, i łączą ją z zastrzeżoną procedurą eksperymentalną i metodami analizy opartymi na sztucznej inteligencji.

Zatrzymanego wzrostu nie da się wytłumaczyć prostymi modelami fizycznymi

Naukowcy porównali pomiary wykonane w żywych komórkach z konwencjonalnymi opisami teoretycznymi powstawania kondensatu. „Wyniki zaskoczyły nas na początku” – mówi Reinhardt, naukowiec z Wydziału Chemii na Uniwersytecie w Cambridge. „W przypadku kondensatorów, które tutaj badaliśmy, początkowy wzrost nadal przebiega zgodnie ze znanymi modelami fizycznymi, jak można się spodziewać. Jednak po osiągnięciu pewnego rozmiaru ich wzrost gwałtownie się zatrzymuje”.

Wzrost agregatów NELF jest regulowany przez sygnały stresowe

W bieżącym badaniu naukowcy zbadali agregaty białka NELF. Te agregaty białek tworzą się, gdy komórka jest pod wpływem stresu, na przykład z powodu ciepła lub gdy dochodzi do nagromadzenia innych białek, jak ma to miejsce w demencji i chorobach neurodegeneracyjnych. „Tworząc supresory w jądrze komórkowym, NELF skuteczniej zapobiega ekspresji genów” – mówi współautor, dr Ritwik Swakar, podsumowując normalną funkcję białka. „To hamowanie jest ważne, aby komórka mogła przetrwać stres”. Sawaker pracował również w CIBSS, a obecnie prowadzi badania w MRC Toxicology Unit na Uniwersytecie w Cambridge.

Naukowcy zauważyli teraz, że wiele małych kondensatorów NELF znajduje się również w nienaprężonych ogniwach. „W systemach niebiologicznych moglibyśmy oczekiwać, że kondensaty będą nadal rosnąć, gdy osiągną rozmiar krytyczny. Ale w żywych komórkach wydaje się, że dzieje się tak tylko wtedy, gdy komórka jest zestresowana” – opisuje Reinhardt. Na tej podstawie naukowcy wywnioskowali, że kondensatory NELF są aktywnie utrzymywane przez komórkę na małe rozmiary, dopóki sygnały stresowe nie pozwolą na szybki wzrost kondensatorów na dużą skalę.

Wydaje się, że klastry białek są ważne dla przetwarzania sygnału

Według naukowców, chociaż proces ten może początkowo wydawać się skomplikowany, prawdopodobnie konieczne jest przetwarzanie sygnałów naprężeń: „Pozwala bardzo szybko tworzyć duże kondensatory i rozpuszczać małe w razie potrzeby”, wyjaśnia Högel. „Umożliwia to komórce reagowanie na stres w odpowiednim czasie”. Ta skuteczna reakcja na stres jest szczególnie ważna w miarę starzenia się, ponieważ wiele związanych z wiekiem chorób neurodegeneracyjnych wynika z mniej skutecznych reakcji na stres.

Powszechnie uważa się, że agregaty białkowe pełnią wiele różnych funkcji niezbędnych do przetwarzania sygnału w komórkach. Nowo opracowana metoda umożliwia naukowcom uzyskanie pełnego zrozumienia tych funkcji. Co więcej, umożliwia to również badanie roli agregatów białkowych w niewspółosiowości chorób, takich jak demencja i choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera czy Huntingtona. W dłuższej perspektywie kompleksowe zrozumienie tych mechanizmów może pomóc w zdiagnozowaniu choroby i opracowaniu metod leczenia.

O CIBSS Excellence Group

CIBSS Group of Excellence – Center for Integrative Biological Signaling Studies – ma na celu osiągnięcie wszechstronnego zrozumienia procesów sygnalizacji biologicznej w różnych skalach – od interakcji między cząsteczkami i poszczególnymi komórkami po procesy w narządach i całych organizmach. Uzyskana w ten sposób wiedza może być wykorzystana do sterowania sygnałami w sposób ukierunkowany. To z kolei pozwala naukowcom nie tylko uzyskać wgląd w badania, ale także opracowywać innowacje w medycynie i naukach o roślinach. www.cibss.uni-freiburg.de

• Publikacja oryginalna: Chenyang Lan, Gohyung Kim, Svenia Olferts, Fernando Abril-Garcia, Sophie Wierauch, Abhinaya Anandamurugan, Robert Gross, Ritwik Swarkar, Alex Reinhardt, Thorsten Högel (2023). Ilościowe obrazowanie w czasie rzeczywistym wewnątrz komórki ujawnia heterogeniczne skupiska białek przed kondensacją. W: Komunikacja w naturze. DOI: 10.1038/s41467-023-40540-2
• Thorsten Hugel jest profesorem chemii fizycznej w Instytucie Chemii Fizycznej Uniwersytetu we Freiburgu i członkiem CIBSS Excellence Group – Centre for Integrative Biological Signaling Studies. Jego badania koncentrują się na opracowywaniu jednocząsteczkowych metod identyfikacji i zrozumienia dynamicznych procesów biologicznych. strona internetowa: https://www.singlemolecule.uni-freiburg.de/
• Badanie zostało sfinansowane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) i Niemiecką Fundację ds. Badań Naukowych (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG).
• Narzędzia analityczne można znaleźć bezpłatnie tutaj: https://doi.org/10.5281/zenodo.6946007