Tætte væskedråber fungerer som cellulære computere

Et spirende felt udforsker, hvordan grupper af molekyler kondenserer sammen inde i celler, hvordan oliedråber samles og adskilles fra vand i en vinaigrette.

I humane celler opstår "væske-væskefaseseparation", fordi lignende store molekyler glomer sammen til tætte dråber adskilt fra de mere fortyndede dele af væskecellens indre. Tidligere arbejde havde foreslået, at evolutionen udnyttede den naturlige dannelse af disse "kondensater" til at organisere celler, hvilket for eksempel gav isolerede rum til bygning af cellulære maskiner.

Desuden er unormale, kondenserede - også kaldet "sammenfiltrede" - grupper af molekyler i dråber næsten altid til stede i cellerne hos patienter med neurodegenerative tilstande, herunder Alzheimers sygdom. Selvom ingen ved, hvorfor sådanne kondensater dannes, hævder en ny teori, at celleinteriørets biofysiske egenskaber ændrer sig, efterhånden som mennesker bliver ældre – delvist drevet af "molekylær trængsel", der pakker flere molekyler ind i de samme rum for at påvirke faseadskillelse.

Forskere sammenligner kondensat med mikroprocessorer, computere indbygget i kredsløb, fordi både genkender og beregner svar baseret på indkommende information. På trods af den formodede virkning af fysiske ændringer på væskeprocessorer, har feltet kæmpet for at afklare mekanismerne, der forbinder faseadskillelse, kondensatdannelse og beregning baseret på kemiske signaler, som forekommer i meget mindre skala, siger forskere. Dette skyldes, at naturlige kondensater har så mange funktioner, at eksperimenter har svært ved at afgrænse dem.

For at løse denne udfordring byggede forskere ved NYU Grossman School of Medicine og det tyske center for neurodegenerative sygdomme et kunstigt system, der afslørede, hvordan dannelsen af ​​kondensat ændrer virkningen på det molekylære niveau af enzymer kaldet kinaser, et eksempel på kemisk beregning. Kinaser er proteinomskiftere, der påvirker cellulære processer ved at phosphorylere - ved at binde et molekyle kaldet en fosfatgruppe - til målmolekyler.

Den nye analyse, offentliggjort online 14. september i Molecular Cell, fandt, at dannelsen af ​​konstruerede kondensater under faseadskillelse tilbød mere "klæbrige" områder, hvor medicinsk vigtige kinaser og deres mål kunne interagere og udløse fosforyleringssignaler.

"Vores undersøgelsesresultater viser, at fysiske ændringer som crowding kan drive kondensatdannelse, der omdannes til biokemiske signaler, som om kondensater var squishy computere," siger hovedforfatter af undersøgelsen Liam Holt, Ph.D., lektor i Institute for Systems Genetics ved NYU Langone Health.

Blandt undersøgelseskinaserne, der blev set at være mere aktive i et overfyldt, kondenseret miljø, var Cyclin Dependent Kinase 2, kendt for at phosphorylere det mikrotubuli-bindende protein Tau. Sammenfiltrede kondensater af Tau findes hyppigt i hjernecellerne hos patienter med Alzheimers sygdom.

"Vores eksperimenter tyder på, at dannelsen af ​​flere Tau-kondensater driver mere Tau-fosforylering," tilføjer Holt, også fakultet ved Institut for Biokemi og Molekylær Farmakologi. "Om disse mekanismer fører til mere hjernecelledød, og om det kan være en ny behandlingstilgang at vende dem om, vil være vigtige spørgsmål i vores kommende arbejde."

Specifikt viste undersøgelsen, at når Tau og Cyclin Dependent kinase kondenserede sammen til tætte dråber, var der en tredobbelt acceleration af en fosforylering på en gruppe steder på Tau (AT8-epitopen) forbundet med Alzheimers sygdom.

Udvikling af en biosensor

I forsøget på at konstruere nyttige versioner af disse computere testede forskerholdet adskillige kunstige kondensater, syntetiserede forskellige stilladsmolekyler for at se, hvilke bedst trukket prøvekinaser - MAPK3, Fus3 og Cyclin-afhængig Kinase 1 (Cdk1) - sammen med deres mål for at øge signalering. Kondensater dannes, når stilladsmolekyler væver sig sammen i dråber. Holdet fandt i deres model, at samlingen af ​​store biomolekyler til dråber inde i encellede levende organismer kaldet gær gjorde fosforyleringsreaktioner hundredvis af gange hurtigere.

Undersøgelsen fandt også, at kondensatdannelse lod de inkluderede kinaser phosphorylere flere slags molekyler og uden tilstedeværelsen af ​​de molekylære former, der normalt kræves. Dette tyder på, at kondensater i overfyldte celler skaber ændrede beregningstyper, nogle potentielt sygdomsrelaterede.

Fremadrettet søger forskerholdet at bygge videre på en tidligere undersøgelse i Holts laboratorium, som fandt ud af, at et proteinkompleks kaldet mTORC1 kontrollerer molekylær crowding ved at bestemme antallet af ribosomer, "maskiner", der bygger andre store proteiner i celler. Holdet planlægger at undersøge, om forbindelser, der vides at hæmme mTORC1, kan reducere crowding og Tau-fosforylering.

Endelig håber forskerne også, at deres resultater fremmer designet af andre cellulære computere, der reagerer på fysiske kræfter. Dette kunne omfatte introduktionen af ​​konstruerede processorer i immunceller, der - for at angribe kræftceller - ville blive tændt, da de forsøgte at presse sig ind i væv, der er gjort tæt af voksende tumorer. + Udforsk yderligere

Faseadskilte proteinholdige lime som selvorganisator af mikrofilamentnetværk