Оглавление

Разделяй и властвуй: роль разделения фаз в жизни клетки

  • 674
  • 1,7
  • 0
  • 3
Добавить в избранное

Возможно, разделение фаз — ключевая концепция современной клеточной биологии.

За множеством деталей, которым посвящено большинство научных статей, зачастую сложно увидеть какой-то глобальной принцип, особенно когда речь идёт об области науки с довольно устоявшимися представлениями — такой как клеточная биология. Однако иногда исключения всё-таки случаются. Наша статья посвящена одному такому исключению, которое, без преувеличения, претендует на роль нового принципа в клеточной биологии — концепции разделения фаз как основы структурной организации клетки.

Структурную целостность большинства клеточных органелл обеспечивают окружающие их мембраны [1]. Так устроены всем нам знакомые клеточное ядро, митохондрии, пластиды, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и разнообразные везикулы. Однако существуют и органеллы, лишённые мембран — например, ядрышко в ядре [2] или стрессовые гранулы в цитоплазме. Благодаря чему они сохраняют свою целостность, а не растворяются в цитоплазме (или нуклеоплазме в случае ядра)? Многие учёные склоняются к тому, что такие немембранные органеллы, по сути, представляют собой капельки жидкости, точнее, жидких смесей белков и РНК, не смешивающиеся с цитоплазмой — подобно тому, как капельки масла, плавающие на поверхности воды, не смешиваются с ней. В основе этих явлений лежит гидрофобный эффект, о котором «Биомолекула» уже писала [3]. Обособление этих капелек обеспечивает физическое разделение фаз на границе жидкость—жидкость (англ. liquid-liquid phase separation). В последнее время идея о том, что ключевым принципом внутренней организации клетки является именно разделение фаз [4], набирает всё большую популярность среди специалистов. Так в чём же суть этой концепции и почему она может полностью перевернуть наш взгляд на организацию клетки? Давайте разбираться.

Немного истории

На самом деле мысль о том, что в основе структуры клетки лежит разделение фаз на границах различных жидкостей, не нова. Еще в 1899 году американский биолог Эдмунд Уилсон писал, что цитоплазма может представлять собой смесь жидкостей, точнее, суспензию из капель жидкостей разной химической природы. Очень долгое время, однако, эта идея оставалась чисто гипотетической и не находила экспериментальных подтверждений. Впрочем, позднее ученым удалось пронаблюдать разделение фаз в искусственных условиях, а именно при подготовке белковых образцов к рентгеноструктурному анализу.

В 2009 году неожиданно обнаружили, что Р-гранулы — особые тельца из белков и РНК, имеющиеся только в зародышевых клетках эмбрионов нематод, — ведут себя как жидкости (рис. 1). Этот вывод противоречил устоявшейся точке зрения, согласно которой Р-гранулы являются твёрдыми структурами. Два года спустя, в 2011-м, выяснили, что ядрышко — самое крупное ядерное тельце, в котором образуются рибосомы, — тоже ведёт себя как капля жидкости. Настоящий бум начался в 2015 году, когда явление разделения фаз показали для нескольких белков [5]. С тех пор буквально каждую неделю выходят новые статьи, посвящённые различным аспектам биологического разделения фаз и его роли в организации клетки.

Р-гранулы в клетках нематоды

Рисунок 1. Р-гранулы в клетках нематоды Caenorhabditis elegans. Именно на этих органеллах впервые показали роль разделения фаз в структурной организации клетки.

Так что же такое разделение фаз?

Разделение фаз на границе двух жидкостей происходит, когда существует сила, не дающая им смешаться. Все мы знаем, что капли масла плавают на поверхности супа, и сколько его не размешивай, масло всё равно будет держаться отдельно от воды, образуя мелкие капли, которые сливаются друг с другом, образуя капли бóльшего размера. В клетке происходит примерно то же самое, только в роли воды выступает цитоплазма (или нуклеоплазма, заполняющая ядро), а вместо капель масла фигурируют капельки, состоящие из молекул белков или белков и РНК. Капли, находящиеся внутри раствора, не статичны: молекулы белков постоянно покидают капли и попадают в них, причём этот процесс занимает секунды, а не минуты и часы, как для субъединиц стабильных белковых комплексов. Сегодня поведение, характерное для жидкостей, показано для ядрышка, ядерных спекл (хранилищ факторов сплайсинга) и других ядерных телец, а также для центросомы, митотического веретена деления, стрессовых гранул (плотных скоплений белков и РНК, которые появляются в цитоплазме клетки в условиях стресса), телец процессинга, или Р-телец (цитоплазматических скоплений белков, обеспечивающих кругооборот мРНК; не путать с Р-гранулами!), пуриносом (органелл, осуществляющих биосинтез пуринов) и других структур [6], [7].

Почему же тогда клетка не распадается целиком на белковые капли? Дело в том, что далеко не все белки могут участвовать в разделении фаз. Белки, формирующие капли, обычно имеют домены с низкой аминокислотной сложностью (англ. low complexity domains): они содержат многочисленные повторы как отдельных аминокислот, так и целых аминокислотных мотивов. Эти белки относят к большой группе неупорядоченных белков (англ. intrinsically disordered proteins) [8], [9], на долю которых приходится треть протеома эукариот. В качестве примера домена с низкой аминокислотной сложностью можно привести прионный домен (PrD). Он обнаружен не только у зловещих прионов, вызывающих разрушительные нейродегенеративные заболевания, но и у весьма полезных белков, составляющих молекулярную основу долговременной памяти эукариот от дрожжей до человека [10], [11]. Кроме того, предполагают, что к разделению фаз также способны белки, содержащие домены для взаимодействия с другими белками и нуклеиновыми кислотами, разделенные участками с низкой сложностью [6] (рис. 2).

Общий принцип разделения фаз в клетке

Рисунок 2. Общий принцип разделения фаз в клетке. Белки взаимодействуют друг с другом посредством различных доменов (в том числе доменов низкой сложности) и далее при участии РНК образуют каплю (то есть происходит разделение фаз).

Как устроена капля? Взгляд изнутри

Давайте теперь рассмотрим, как устроена белковая капля. Поскольку наиболее изучено разделение фаз у неупорядоченных белков, то и рассматривать мы будем только неупорядоченные белки. Начнем с того, как одиночная молекула белка ведет себя в капле себе подобных. В зависимости от окружающего растворителя неупорядоченный белок может свернуться в глобулу («плохой» растворитель) или растянуться во всю свою длину («хороший» растворитель). Согласно наиболее распространенной модели, объясняющей разделение фаз у неупорядоченных белков, последовательность такого белка можно подразделить на так называемые блобы (англ. blobs) — участки длиной 7–10 аминокислотных остатков, тепловая энергия которых не меньше общей энергии их взаимодействий с другими блобами и растворителем. При критической концентрации белка или при особых условиях блобы чаще взаимодействуют с блобами других белковых молекул, чем с блобами той же молекулы или молекулами растворителя, и тогда происходит разделение фаз.

Теоретически, блобами могут выступать и домены с вполне определенной структурой. В составе капли белок уложен таким образом, чтобы взаимодействия его блобов в блобами других молекул были оптимальны. Иногда разные части белковой молекулы различаются по своим взаимодействиям с другими участками той же белковой молекулы, молекулами других белков и молекулами растворителя. Например, одна часть белковой молекулы может быть более гидрофобной, а другая более полярной (это свойство называется амфифильностью). Такие «двойственные» молекулы называют Янус-частицами. Благодаря неоднородности свойств они могут участвовать в дальнейшем подразделении капли на компартменты.

Стоит подчеркнуть, что белковые капли отличаются от белковых комплексов тем, что отдельные белковые молекулы быстро заменяются на молекулы из окружающей среды — цитоплазмы или нуклеоплазмы. А может ли внутрь капли проникнуть что-нибудь побольше, например, многобелковый комплекс? Дело в том, что, как любая жидкость, капля белка характеризуется некоторым поверхностным натяжением. Оно не представляет собой существенную помеху для отдельных молекул белков или РНК, а вот крупные молекулярные комплексы его преодолеть не смогут. Если же происходит столкновение двух белковых капель с разным поверхностным натяжением, то капля с бóльшим поверхностным натяжением будет поглощена каплей с меньшим поверхностным натяжением. Таким образом, возможно образование «матрёшек» — белковых капель внутри других белковых капель [6].

Действительно, для некоторых телец, образующихся вследствие разделения фаз, показана дальнейшая компартментализация. Так, в Р-тельцах можно выявить по меньшей мере две области: коровую область, в которой находятся белки, удаляющие кэп с мРНК (с удаления кэпа начинается разрушение отслуживших своё мРНК, которое происходит в Р-тельцах), и мантию, в которой накапливаются белки, участвующие в репрессии трансляции [2]. В ядрышке выделяют три части, в которых протекают разные этапы образования рибосом: фибриллярные центры, плотный фибриллярный компонент и гранулярный компонент. Согласно последним данным, плотный фибриллярный компонент и гранулярный компонент — это две несмешивающиеся жидкости, причем неупорядоченные участки белков обеспечивают их конденсацию в капли, а РНК-связывающие домены обусловливают несмешиваемость двух компонентов (рис. 3) [12].

Ядрышко

Рисунок 3. Ядрышко — клеточная фабрика по производству рибосом — является каплей, состоящей из трех частей. На рисунке изображены две несмешивающиеся жидкие фазы: плотный фибриллярный компонент, маркером которого служит белок фибрилларин (на фото светится зелёным), и гранулярный компонент, маркер которого — белок NPM1 (светится красным).

Биологические последствия разделения фаз

Почему же концепция разделения фаз так важна и интересна? Еще Уилсон в 1899 году указал на важность этой идеи с точки зрения происхождения жизни, ведь разделение фаз — это наиболее простой и очевидный способ организации материи (подробнее о гипотезах происхождения жизни можно прочитать в [13]). Очевидно, что белковые капли — очень удобный способ для локализации биохимического процесса в строго определенном месте. Например, образование рибосом целиком происходит в ядрышке. В белковой капле всё самое нужное всегда будет «под рукой», а посторонние белковые комплексы не смогут в неё проникнуть из-за поверхностного натяжения. Кроме того, биологический процесс существенно проще регулировать, если все его белки собраны в одном месте. Есть свидетельства того, что разделение фаз вовлечено в передачу сигналов через Т-клеточные рецепторы. Капли белков ассоциированы с повреждениями ДНК и транскрипционно активными участками, где они могут играть роль в перестройках хроматина [6]. Вероятно, в ближайшем будущем мы узнаем еще массу нового об участии разделения фаз в разных биологических процессах.

Медицинское значение

Если разделение фаз произойдет в неправильном месте и в неправильное время, последствия могут быть самыми неприятными: образование крупных молекулярных скоплений связано со многими нейродегенеративными заболеваниями, раком (например, саркомой Юинга) и старением. Последние исследования говорят о том, что разделению фаз могут подвергаться белки, связанные с развитием бокового амиотрофического склероза, и тау-белок, скопления которого выявляются в мозге, пораженном болезнью Альцгеймера [5]. Таким образом, понимание процесса разделения фаз важно и для медицины, а не только фундаментальной клеточной биологии.

Литература

  1. Липидный фундамент жизни;
  2. Размер имеет значение;
  3. Физическая водобоязнь;
  4. Транспортная мРНК;
  5. Elie Dolgin. (2018). What lava lamps and vinaigrette can teach us about cell biology. Nature. 555, 300-302;
  6. Louis-Philippe Bergeron-Sandoval, Nozhat Safaee, Stephen W. Michnick. (2016). Mechanisms and Consequences of Macromolecular Phase Separation. Cell. 165, 1067-1079;
  7. Clifford P. Brangwynne. (2013). Phase transitions and size scaling of membrane-less organelles. J Cell Biol. 203, 875-881;
  8. Недоупорядоченные белки;
  9. За пределами порядка;
  10. Прионы: исследования таинственных молекул продолжаются;
  11. Прионные и неприонные амилоиды: определяет ли конформация разницу в инфекционности?;
  12. Marina Feric, Nilesh Vaidya, Tyler S. Harmon, Diana M. Mitrea, Lian Zhu, et. al.. (2016). Coexisting Liquid Phases Underlie Nucleolar Subcompartments. Cell. 165, 1686-1697;
  13. К вопросу о происхождении жизни.

Комментарии