Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и ETH Zurich обнаружили, как белки в клетке могут образовывать крошечные капельки жидкости, которые действуют как умный молекулярный клей. Цепляясь за концы нитей, называемых микротрубочками, клей, который они обнаружили, обеспечивает правильное положение ядра для деления клеток. Результаты, опубликованные в журнале Nature Cell Biology , объясняют давнюю загадку того, как движущиеся белковые структуры клеточного механизма связаны друг с другом.

Муфты имеют решающее значение для машин с движущимися частями. Жесткие или гибкие, будь то соединение между валами в двигателе или суставы в нашем теле, свойства материала обеспечивают желаемое преобразование механических сил. Нигде это не оптимизировано лучше, чем в клетке, где взаимодействие между движущимися субклеточными структурами лежит в основе многих биологических процессов. Однако то, как природа создает эту связь, долгое время озадачивало ученых.

Теперь исследователи, изучающие связь, имеющую решающее значение для деления дрожжевых клеток , обнаружили, что для этого белки взаимодействуют таким образом, что они конденсируются в жидкую каплю. Исследование проводилось в сотрудничестве между командами Мишеля Штайнмеца из Института Пауля Шеррера PSI и Ива Барраля из ETH Zurich с помощью групп Эрика Дюфрена и Йорга Стеллинга из ETH Zurich.

Образуя каплю жидкости, белки достигают идеальных свойств материала для обеспечения биологической функции. Это открытие — только начало нового понимания роли умных жидкостей в клетке, считает Баррал, чья исследовательская группа исследует процесс деления клеток у дрожжей.

«Мы обнаруживаем, что жидкости, состоящие из биомолекул, могут быть чрезвычайно сложными и демонстрировать гораздо более широкий спектр свойств, чем мы привыкли с нашей макроскопической точки зрения. В этом отношении, я думаю, мы обнаружим, что эти жидкости обладают впечатляющими свойствами, которые были отобраны эволюцией в течение сотен миллионов лет».

Микротрубочки: буксирные канаты клетки

Исследование сосредоточено на соединении, которое происходит на концах микротрубочек — филаментов, пересекающих цитоплазму клетки и имеющих тревожное сходство с инопланетными щупальцами. Эти полые трубки, образованные из строительного блока тубулина, действуют как буксирные канаты, транспортируя различные грузы по клетке.

Микротрубочки получают один из самых важных грузов во время клеточного деления. У дрожжей они выполняют важную работу по перетаскиванию ядра, содержащего делящиеся хромосомы, между материнской и почкующейся дочерней клеткой. Для этого микротрубочка должна соединиться через двигательный белок с актиновым кабелем, заякоренным в клеточной мембране появляющейся дочерней клетки.

Затем моторный белок перемещается по актиновому кабелю, втягивая микротрубочки в дочернюю клетку, пока ценный груз генетического материала не достигнет намеченного места между двумя клетками.

Эта связь, необходимая для продолжения клеточного деления, должна выдерживать напряжение, возникающее при движении моторного белка, и позволять ядру деликатно маневрировать.

Мишель Штейнмец, чья исследовательская группа в PSI является экспертом в области структурной биологии микротрубочек, объясняет: «Между микротрубочкой и моторным белком должен быть клей. Без него, если микротрубочка отсоединится, вы получите дочернюю клетку с нет генетического материала, который не выжил бы».

Гибкая муфта природы

У дрожжей три белка, формирующие ядро ​​так называемой сети Kar9, украшают кончик микротрубочки, чтобы достичь этого соединения. То, как они достигают необходимых свойств материала, казалось, противоречило традиционному пониманию белковых взаимодействий.

Один вопрос, который долгое время интересовал ученых, заключался в том, как три основных сетевых белка Kar9 остаются прикрепленными к кончику микротрубочки, даже когда субъединицы тубулина добавляются или удаляются: это эквивалентно тому, как крюк на конце буксирного троса остается на месте, пока вставлены соседние участки веревки. или отрезано. Здесь их открытие дает ответ: как капля жидкого клея прилипает к концу карандаша, так и эта белковая «жидкость» может прилипать к концу микротрубочки, даже когда она растет или сжимается.

Исследователи обнаружили, что для достижения этого свойства жидкости три основных сетевых белка Kar9 сотрудничают через сеть слабых взаимодействий. Поскольку белки взаимодействуют в разных точках, если одно взаимодействие не удается, другие остаются, и «клей» в значительной степени сохраняется. Исследователи считают, что это придает гибкость, необходимую для того, чтобы микротрубочка оставалась прикрепленной к моторному белку даже при натяжении.

Чтобы сделать свое открытие, исследователи методично исследовали взаимодействие между тремя белковыми компонентами сети Kar9. Основываясь на структурных знаниях, полученных в SLS Swiss Light Source в предыдущих исследованиях, они могли мутировать белки, чтобы выборочно удалить сайты взаимодействия и наблюдать эффекты в естественных условиях и в пробирке.

В растворе три белка объединились в отдельные капли, как масло в воде. Чтобы доказать, что это происходит в дрожжевых клетках , исследователи исследовали влияние мутаций на клеточное деление и способность белков отслеживать конец сокращающейся микротрубочки.

«Было довольно просто доказать, что белки взаимодействуют с образованием жидкого конденсата in vitro. Но предоставить убедительные доказательства того, что это происходит in vivo, было очень сложно, на что у нас ушло несколько лет», — объясняет Стейнмец, который первым вместе с коллегой из Нидерландов в обзорной публикации 2015 года постулировал идею «жидкого белкового клея» для белков, связывающих кончики микротрубочек.

Не стандартный многоцелевой клей

Баррал поражен тем, насколько сложным является клей. «Это не просто клей, а умный клей, способный интегрировать пространственную информацию и формировать ее только в нужном месте». В сложном переплетении идентичных микротрубочек в цитоплазме клетки только одна микротрубочка получает каплю, которая позволяет ей прикрепиться к актиновому кабелю и вытащить генетическую информацию на место. «То, как природе удается собрать сложную структуру на конце всего лишь одной микротрубочки, а не других, просто ошеломляет», — подчеркивает он.

Исследователи считают, что жидкостные свойства белков играют важную роль в достижении этой специфичности. Точно так же, как маленькие капли масла в винегрете сливаются вместе, они предполагают, что маленькие капли первоначально образуются на многих микротрубочках, которые каким-то образом впоследствии сходятся, образуя одну большую каплю на одной микротрубочке. Как именно это достигается, остается загадкой и является предметом исследований команд Штейнмеца и Барраля.