Выдержанные конденсаты A1-LCD демонстрируют идентичную мезомасштабную морфологию и отсутствие амилоидных фибрилл. a, Представительные изображения не менее чем из четырех изображений DIC-микроскопии различных конденсатов во время наблюдения. Инсулиновые фибриллы показаны в качестве положительного контроля. b, Коэффициенты флуоресценции ThT максимальной и минимальной интенсивности для свежеприготовленных конденсатов и конденсатов при tobs ≈ 24 ч для различных вариантов A1-LCD. Никаких изменений в окрашивании ThT для конденсатов, образованных в зависимости от старения, не наблюдалось. В качестве положительного контроля мы показываем данные для амилоидных фибрилл, образованных инсулином через 24 ч после приготовления образца. Кредит: Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02558-1
Биомолекулярные конденсаты — это безмембранные концентраторы конденсированных белков и нуклеиновых кислот внутри клеток, которые, как понимают исследователи, связаны с растущим числом клеточных процессов и заболеваний. Исследования образования биомолекулярных конденсатов раскрыли слои сложности, включая их способность вести себя как вязкоупругий материал. Однако молекулярная основа этого свойства, похожего на замазку, была неизвестна.
Благодаря сотрудничеству нескольких организаций ученые Детской научно-исследовательской больницы Св. Иуды изучили сети взаимодействия внутри конденсатов, чтобы лучше определить правила, связанные с их уникальными материальными свойствами.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, количественно определяют временные масштабы, связанные с этими взаимодействиями, объясняя, почему конденсаты ведут себя как молекулярная замазка и как они могут «стареть» в вязкоупругое твердое вещество, больше похожее на резиновый мяч.
«Конденсаты часто описывались как жидкости, но их материальные свойства на самом деле могут довольно сильно различаться», — объяснила соавтор Таня Миттаг, доктор философии, кафедра структурной биологии. «Это зависит от последовательностей белков в них и времени жизни образующихся взаимодействий».
Временные масштабы взаимодействия определяют свойства конденсатов.
Скорость, с которой мы взаимодействуем с миром, влияет на то, как мир реагирует. Возьмите замазку в руку, и она в конечном итоге вытечет сквозь пальцы. Бросьте ее в стену, и она отскочит обратно.
Правила, управляющие этим вязкоупругим поведением, присущи взаимодействиям, происходящим внутри замазки, создание и разрушение которой происходит в масштабе времени, закодированном в молекулах-компонентах. Это означает, что если мы взаимодействуем с материалом с разной скоростью, материал будет вести себя по-разному.
Биомолекулярные конденсаты действуют как реакционные узлы для пространственной организации биомолекул в клетках. Их очевидное обилие в клеточной функции и связь с болезнями, особенно нейродегенеративными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз (БАС) и лобно-височная деменция, принесли с собой фундаментальные вопросы, на которые необходимо ответить.
Привлекая внимание своим поведением, подобным жидкостям, таким как способность течь, обмениваться материалом и растворяться по мере необходимости, их способность переходить в более твердые структуры побудила ученых подвергнуть сомнению эти фундаментальные свойства материалов.
В рамках Исследовательского сотрудничества Св. Иуды по биологии и биофизике гранул РНП Миттаг руководит работой по изучению того, как эти свойства материала определяются последовательностью аминокислот белков, образующих конденсат.
Текущие усилия основываются на многолетних исследованиях «молекулярной грамматики» биомолекулярных конденсатов — правил, определяющих, как молекулы организуются в процессе фазового разделения.
Наклейки и прокладки жизненно важны на вязкоупругих перекрестках
Ранее Миттаг и ее коллеги разработали модель «наклеек и разделителей» для прогнозирования того, как белки разделяются на фазы, в работе, опубликованной в журнале Science в 2020 году.
«То, что мы называем «наклейками» аминокислот, создает парные взаимодействия, которые формируют сетевую жидкость», — сказал Миттаг. «Теперь мы понимаем, что эти парные контакты, которые формируются — насколько они стабильны и каково их время жизни — определяют вязкоупругие свойства конденсатов».
Расположение наклеек (аминокислот, которые образуют контакты с другими наклейками) и спейсеров (аминокислот, необходимых для формирования рисунка и расположения наклеек, а также для взаимодействия с водой) может предсказать поведение белков при разделении фаз.
Теперь исследователи обнаружили, что поведение конденсатов как эластичного или вязкого материала зависит от силы взаимодействия наклеек.
«Если мы создадим более сильные взаимодействия, мы сможем подтолкнуть их поведение в сторону эластичных свойств. Теперь мы понимаем, как это кодируется в последовательности белка», — сказал Миттаг.
Биомолекулярные конденсаты стареют и превращаются в вязкоупругие твердые тела
Группа далее исследовала, как конденсаты стареют, изменяя свои материальные свойства с течением времени. Предыдущие работы в этой области были сосредоточены на том, как белки в стареющих конденсатах могут организовываться в фибриллы, повторяя образцы белков с высокой степенью порядка. Образование фибрилл связано с нейродегенеративными заболеваниями, такими как БАС и лобно-височная деменция, но, как обнаружили исследователи, это только один из путей старения.
Исследователи также выявили альтернативный путь старения конденсата. «Мы обнаружили, что если заменить спейсерные аминокислоты на те, которые больше взаимодействуют с водой, мы можем заставить конденсаты состариться в твердом состоянии, но это не будет кристаллическим. Это не будут фибриллы. Вместо этого это будет вязкоупругое твердое вещество», — сказал соавтор Уэйд Борчердс, доктор философии, кафедра структурной биологии Св. Иуды. «Это как замазка, превращающаяся в резиновый мяч. Они оба могут отскакивать, но один из них твердый, а другой нет».
«Исследование конденсата помогает нам понять много биологии, которая всегда существовала в клетке, но не была понята. Эта работа ставит этот вид биологии на количественную, физическую основу вместо того, чтобы рассматривать ее феноменологически», — объяснил Миттаг. «Теперь мы знаем, как эти свойства материала и переходы кодируются в последовательности белка и как это на самом деле является вязкоупругим твердым телом. Это, я думаю, большой прорыв».
Больше информации:
Ибрагим Альшарида и др., Взаимодействия, специфичные для последовательности, определяют вязкоупругость и динамику старения белковых конденсатов, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02558-1
Предоставлено Детской исследовательской больницей Св. Иуды
Цитата: Свойства «молекулярной замазки» биомолекулярного конденсата обнаружены закодированными в последовательности белка (2024, 2 июля) извлечено 2 июля 2024 г. из
Этот документ защищен авторским правом. За исключением случаев честного использования в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставляется только в информационных целях.
2024-07-02 15:13:03
1719934981
#Обнаружены #свойства #молекулярной #замазки #биомолекулярного #конденсата #закодированные #последовательности #белка
