Скопления белков внутри клеток являются распространенной нитью при многих нейродегенеративных заболеваниях, включая амиотрофический боковой склероз (БАС) или болезнь Лу Герига. Эти скопления или твердые агрегаты белков, по-видимому, являются результатом нарушения в процессе, известном как разделение фаз жидкость-жидкость (LLPS), при котором отдельные белки собираются вместе, образуя каплю, похожую на жидкость.

Чтобы понять, как происходит процесс, исследователям необходимо лучше понять механизм, который управляет LLPS. Каково это о любом белке, который заставил бы это конденсироваться в жидкость?

Совместные исследования между лабораторией Паппу, возглавляемой Рохитом Паппу в Инженерной школе Маккелви в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, и лабораторией Танджи Миттаг в Детской исследовательской больнице Сент-Джуд раскрыли ключ к переводу написанных образцов. в конкретные типы белковых последовательностей, которые способствуют LLPS.

Важно отметить, что они также обнаружили, как определенные расположения аминокислот, которые отклоняются от структуры, могут отрицательно влиять на разделение фаз и приводить к образованию твердых агрегатов вместо жидкостей.

Их исследование было опубликовано 7 февраля в журнале Science.

Когда определенные клетки испытывают стресс, что происходит регулярно, белки клеточного ответа конденсируются в безмембранные органеллы -; мягкие, похожие на жидкость капельки, которые имеют определенные границы, но не разграничивают мембраны.

LLPS образует капли, концептуально похожий на процесс, посредством которого масло и уксус отделяются друг от друга, образуя сосуществующие жидкие капли.

Хотя это называется разделением фаз LLPS – это процесс объединения или конденсации. Свободно конденсированные белки находятся в фазе жидкого типа; чем плотнее они упакованы, тем прочнее они становятся.

При некоторых обстоятельствах, часто из-за мутаций, ошибочный процесс заставляет часть материала в этих богатых белком каплях, также известных как биомолекулярные конденсаты, превращаться в более твердые агрегаты.

Конденсация во многих случаях обусловлена ​​внутренне неупорядоченными участками (IDR) белка. Это участки белка без определенной трехмерной формы, и все же они играют заметную роль в ключевых функциональных ролях, особенно в мозге.

Паппу, профессор инженерных наук Эдвина Х. Мёрти, и его коллеги показали, что некоторые части РДЭ были липкими -; у них была склонность придерживаться друг друга на одном и том же белке или на тех, кто рядом. Эти «наклейки», которые на самом деле являются аминокислотами в белковой цепи, и материал между ними, называемый спейсерами, являются основой для модели «стикер и спейсер», основы, используемой для описания LLPS.

Сотрудничество, в котором участвовала команда Миттага из команды Сент-Джуд, было обусловлено экспериментами, проведенными в лаборатории Миттаг, чтобы попытаться определить ключевые наклейки, которые отвечают за разделение фаз движения. Чтобы сделать это, они начали с наблюдения взаимодействий, по существу, при разрешении одной аминокислоты с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

Результаты их экспериментов обнаружили, какие аминокислоты были липкими, но не могли дать целостную картину, необходимую для полного понимания взаимосвязи между наклейками, прокладками и LLPS.

Вот где пришла команда Паппу. Опираясь на экспериментальные данные команды Миттага, Паппу и его коллеги Алекса Хоулхауса (который до конца 2019 года работал в докторантуре в лаборатории Паппу и сейчас является доцентом кафедры биохимии и молекулярной биофизики). в Медицинской школе) разработал вычислительный подход с открытым исходным кодом, известный как PIMMS (взаимодействия полимеров в многокомпонентных смесях), для достижения количественного и прогнозирующего понимания взаимодействий между наклейками, которые приводят к разделению фаз.

Дополнительные лабораторные эксперименты в Сент-Джуд были использованы для проверки и подтверждения их прогнозов.

Вместе модели и эксперименты выявили новые аспекты взаимосвязи между этими наклейками и фазовым разделением.

Хотя модель показала различия в количестве и размещении наклеек, «рисунок наклеек вдоль цепи был очень хорошо сохранен», сказал Паппу. «Когда вы видите что-то, что очень хорошо сохраняется в эволюции, вы решаете, что оно эволюционно важно».

Так, естественно, Хоулхаус, доцент кафедры биохимии и молекулярной биофизики, и Паппу использовали PIMMS, чтобы посмотреть, что произойдет, если изменить важный шаблон.

Команда спросила: «Что произойдет, если мы просто возьмем все эти наклейки и поставим их рядом друг с другом?» Первый ключевой результат показал, что взаимодействия между наклейками стали настолько сильными, что белки начали прилипать друг к другу, накапливаться и расти, в конечном итоге становясь достаточно плотными, чтобы стать более твердыми, чем жидкие.

Вторым ключевым открытием было лучшее понимание важности областей между наклейками -; проставки. Как некодирующая или «мусорная» ДНК, спейсеры сначала показали некоторые интересные черты, но, похоже, не играли важной роли в функционировании белка.

Оказывается, проставки имеют решающее значение для понимания LLPS. «Распорки разбавляют силу взаимодействия наклеек, что позволяет образовывать жидкость», – сказал Миттаг. «Без прокладок стикеры были бы слишком близко, и белки всегда конденсировались в твердые вещества.

Понимание правил, которые управляют LLPS, дает исследователям новый способ «чтения» белков, чтобы определить, будут ли они конденсироваться в жидкость или в более проблемную твердую форму.

LLPS имеет отношение не только к нейродегенеративным заболеваниям. Это также может изменить наше понимание основных механизмов многих биологических процессов. «Эта модель имеет отношение к пониманию рака», – сказал Миттаг из-за его применения к различным типам белков.

Потенциал дальнейшего сотрудничества велик, отметил Паппу.

Мы говорим о чем-то, что записано в молекулу, дающую вам то, что проявляется почти на клеточном уровне. Теперь вы можете играть в инженерные и дизайнерские вещи. Вы можете думать о нейродегенеративных расстройствах и понимать, что может пойти не так.

Финансирование, предоставленное Св. Иудой, стало ключом к ускорению сотрудничества, которое продолжается между лабораторией Миттаг и моей лабораторией. Сотрудничество также выигрывает благодаря вкладу лабораторий Holehouse и Soranno в Медицинский факультет – лабораторий, которые также являются неотъемлемой частью Центра науки и техники живых систем ».

Рохит Паппу в Инженерной школе Маккелви в Вашингтонском университете в Сент-Луисе