Forskere løser et mysterium i cellulære dråbeorganeller

Forskere ved The Scripps Research Institute (TSRI) har løst et cellulært mysterium, der kan have vigtige konsekvenser for grundlæggende biologi og sygdomme som ALS. Deres nye forskning tyder på, at RNA kan være den hemmelige ingrediens, der hjælper cellerne med at samle, organisere intern arkitektur, og i sidste ende opløse dynamiske dråbelignende rum.

Disse dråplignende strukturer er almindeligt kendt som membranløse organeller, og de er nøglen til, hvordan celler opdeler deres biokemi og regulerer processer såsom genekspression og reaktion på stress.

I 200 år, forskere har kendt til eksistensen af ​​membranløse organeller i celler og spekuleret på, hvordan de reguleres. Nylige undersøgelser antydede, at forøgelse af fraktionen af ​​RNA kan føre til dannelse af protein-RNA-dråber ved en proces kaldet væske-væskefaseseparation.

"Det er dybest set den samme type ublandbarhedsfænomen, der driver olie til at danne dråber i vand, "sagde TSRI lektor Ashok Deniz, der ledede undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie som et meget vigtigt papir (VIP). "Mens flere svage biomolekylære kræfter tilsammen resulterer i dannelse af protein-RNA-dråber, vi fokuserede på en bestemt type i denne undersøgelse:elektrostatiske interaktioner drevet af modsat ladede biomolekyler. En stor opdagelse var, at yderligere stigning i RNA -koncentration kan opløse disse dråber, bringer en homogen væskefase tilbage."

Hastigheden, hvormed disse dråber dannes og opløses, kan være nøglen til cellulær overlevelse. "Dråber kan dannes og opløses efter behov, som gør det muligt for celler at tilpasse sig meget hurtigt til cellestress, "sagde forskningsassistent Priya Banerjee, som ledede undersøgelsen og fungerede som co-first forfatter sammen med kandidatstuderende Anthony N. Milin og Mahdi Muhammad Moosa fra TSRI.

Den nye undersøgelse tyder på, at den negative ladning af RNA-molekyler er en nøgle til både at skabe og opløse dråber. "RNA er som et dobbeltmiddel, "sagde Banerjee.

Hvordan dråber dannes og forsvinder

RNA har en samlet negativ ladning. Når det først kommer i kontakt med positivt ladede proteiner, de modsat ladede molekyler tiltrækker hinanden. Sammen, de danner en molekylær samling og danner flydende dråber. Disse dråber tillader celler at udføre vigtige funktioner.

Forskerne fandt også ud af, at dråber hurtigt vil opløses, når man øger RNA i systemet.

"At tilføje mere RNA til dette system forstyrrer den fine balance mellem negative og positive ladninger, fører til dannelsen af ​​negativt ladede samlinger, der nu frastøder hinanden, opløser således dråben, "sagde studieforfatter Paulo L. Onuchic, en kandidatstuderende i Deniz Lab.

Dette unikke fund kaster lys over en uventet lovgivningsmæssig vej. Forskningen udfordrer også den tidligere opfattelse af, at biomolekylære kræfter, der skaber dråber, skal vendes for at opløse dem. I stedet for at vende processen - enten ved fjernelse af RNA eller posttranslational modifikation af proteinet for at ødelægge dets positive ladning - fandt forskerne, at systemet simpelthen kan tilføje mere RNA for at opløse en dråbe.

"Den vindueslignende opførsel af dråbedannelse som en funktion af RNA-koncentration observeret her udviser en ensrettet rute, der kan udnyttes af celler ved hjælp af processer såsom transkription, "sagde Banerjee.

I yderligere forsøg, teamet demonstrerede, at RNA -syntese ved hjælp af cellulære maskiner virkelig danner og opløser disse dråber.

Oprettelse af "hule" dråber

Det faktum, at RNA kan opløse dråber, gav forskerne en enestående chance for at kontrollere RNA -tilsætning og se opløsningen. "Til vores overraskelse, i stedet for en simpel proces med opløsning af dråber, vi observerede hule kugler, der dannede inde i dråber. Tager et skridt tilbage, du kan se, at ved at tilføje mere RNA, vi skaber lavdensitetsdråber inde i dråber med høj densitet, "sagde Deniz.

Deniz sammenlignede dette fænomen med en isterning, der smeltede indefra. Interessant nok, disse interne dråber, kaldet vakuoler, ligner de komplekse indre understrukturer, der typisk observeres i en række cellulære dråbelignende organeller.

"Nøglen til at skabe vakuoler er denne ensrettede overgang fra en initial homogen væske til to ikke-blandbare væskefaser og tilbage til en homogen fase blot ved at øge fraktionen af ​​RNA, " tilføjede Banerjee.

Holdet fortsatte med at teste, om disse resultater ville gælde for et nøgleprotein fundet i stressgranulat, vigtige "dråbe" organeller, der beskytter celler under stress. De undersøgte et RNA-bindende protein kaldet FUS, som har været impliceret i ALS.

"Med FUS, vi fandt ud af, at RNA både kan danne og opløse dråber på samme måde som det enklere modelsystem. Bemærkelsesværdigt, FUS -dråber udviste også komplekse interne understrukturer, som baner vej for at fastslå disse vakuoles biologiske rolle, "sagde Milin.

Selvom denne forskning stadig er i sin tidlige fase, forskerne mener, at mutationer i FUS kan forstyrre den normale dråbedynamik hos nogle patienter med ALS, muligvis stoppe deres celler fra at klare korrekt med cellestress.

Arbejdet åbner en række muligheder for fremtidig forskning inden for cellebiologi og sygdom, herunder kvantitative undersøgelser af denne specifikke type faseovergang i andre biologiske systemer, forståelse af de molekylære determinanter i proteiner og RNA, der styrer dråbedynamikken, og yderligere undersøgelser af kompleks mønster af dråber.