Rigt molekylært sprog styrer dannelsen af ​​små væskedråber i celler

At kigge ind i en biologisk celle afslører en travl mikroskopisk verden. Arbejdshestene inden for dette rige er specialiserede strukturer kaldet organeller, der udfører vitale cellulære funktioner. Mærkeligt nok trodser nogle organeller den accepterede konvention:I stedet for at være indesluttet i en beskyttende membran, er de uden membraner og tager form af isolerede væskedråber. Reglerne, der styrer dannelsen af ​​disse dråber, en proces kaldet "væske-væskefaseseparation," er et nyt og stærkt forfulgt forskningsområde.

Et team af forskere fra Texas A&M Engineering, University of Delaware og Rutgers University har afsløret, at aminosyrer (rester), der udgør proteinerne i dråberne, interagerer på mange flere måder, end der i øjeblikket er anerkendt. Disse interaktioner, de viser, letter proteinsamling og i sidste ende væske-væskefaseseparation i dråber.

Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature Chemistry .

Deres arbejde er et skridt i retning af at udvide forståelsen af ​​cellulær biologi, udvikle behandlinger for sygdomme, der involverer patologiske proteinaggregater, såsom Alzheimers og Parkinsons, og skabe nye biokonstruerede bløde materialer.

Den nylige opdagelse af væskedråber i levende celler blev først gjort i kønscellerne fra en jordlevende orm, Caenorhabditis elegans (C. elegans). I ormens embryo tjener membranløse strukturer kaldet P-granulat essentielle reproduktive funktioner. Da de blev undersøgt yderligere, fandt efterforskerne ud af, at P-granulatet manglede membraner og kunne dryppe, slutte sig sammen eller opløses væk, med egenskaber ligesom væsker. Yderligere kunne disse P-granulat holde deres integritet i det gelélignende cytoplasma, ligesom oliedråber i vand.

"Der var en fundamental ændring i 2009 i at tænke på cellulær kompartmentalisering i form af fremkomsten af ​​dråbelignende strukturer," sagde Dr. Jeetain Mittal, professor i Artie McFerrin Department of Chemical Engineering og seniorforfatter. "De fleste biologer begyndte at acceptere, at faseadskillelse ikke er undtagelsen, men reglen, hvormed biologiske celler opdeler andre funktionelle enheder end membranbundne organeller."

Men hvordan samles kun specifikke proteiner, der snirkler rundt i cytoplasmaet sammen med millioner af andre, til funktionelle dråber? Beviser indikerer, at iboende forstyrrede proteiner eller dem, der mangler en ordnet tredimensionel struktur, kan være essentielle i faseadskillelse. Interaktionerne mellem forstyrrede proteiner, der orkestrerer faseadskillelse, er dog endnu ikke fuldt ud afgrænset.

"Vi har stadig ikke en meget klar idé om, hvilke aminosyrer i de uordnede regioner, der er drivkraften til faseadskillelse," sagde Shiv Rekhi, en kandidatstuderende i Mittals laboratorium og hovedforfatter. "Vi ønskede at gå uden for etablerede regler, stadig vise faseadskillelse og derefter kvantificere, hvordan hver aminosyre bidrog til processen."

Til deres forskning brugte holdet et syntetisk forstyrret protein med aminosyresekvenser, der minder om naturligt forekommende proteiner. Forskerne skabte derefter proteinvarianter ved at fjerne eller tilføje en specifik type aminosyre og vurderede, om kondensation til dråber stadig fandt sted. Sammen med deres samarbejdspartnere udførte de mikroskopi og turbiditetseksperimenter for at evaluere den fysiske natur af den proteinberigede dråbe. Til sidst undersøgte Rekhi ved hjælp af simuleringer i stor skala, hvordan de atomare interaktioner mellem aminosyrerne i proteinsekvensen blev oversat til dannelsen af ​​væskedråber observeret eksperimentelt.

"En udbredt opfattelse er, at tyrosin og/eller arginin er påkrævet til faseadskillelse. Det testede vi direkte ved at lave proteinvarianter, hvor vi fjernede disse rester, og vi fik stadig faseadskillelse," sagde Rekhi. "Dette og mange andre sådanne eksperimenter fortalte os, at faseadskillelse kan forekomme uden mange rester, folk mener er nødvendige."

Forskerne fandt ud af, at alle på nær én af de 12 proteinvarianter viste faseadskillelse, hvilket understregede tilstedeværelsen af ​​flere interaktioner mellem aminosyreresterne, der udgør det uordnede protein.

"I et stykke tid har folk på området antaget, at et begrænset sæt regler kan beskrive dråbedannelse. Vi har vist, at alt i proteinsekvensen betyder noget," sagde Mittal. "Vores papir fastslår, at faseadskillelsens molekylære sprog er meget rigere og mere komplekst."

Andre bidragydere til forskningen omfatter Cristobal Garcia Garcia og Dr. Kristi L. Kiick fra University of Delaware; Mayur Barai og Dr. Benjamin Schuster fra Rutgers, State University of New Jersey.

Flere oplysninger: Shiv Rekhi et al., Udvidelse af det molekylære sprog for proteinvæske-væskefaseseparation, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01489-x

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af Texas A&M University College of Engineering