Коллаборация позволила исследователям «читать» белки для поиска новых свойств
Агрегаты белков внутри клеток — общая черта многих нейродегенеративных заболеваний, включая боковой амиотрофический склероз (БАС). Эти твёрдые сгустки, по-видимому, являются результатом аномалии в процессе жидкостно-жидкостного фазового разделения (ЖЖФР), при котором отдельные белки собираются в каплевидные жидкие структуры.
Чтобы понять, как этот процесс нарушается, необходимо лучше изучить механизм, лежащий в основе ЖЖФР. Что в белке заставляет его конденсироваться в жидкость?
Совместное исследование лаборатории Рохита Паппу (Школа инженерии Маккелви, Университет Вашингтона в Сент-Луисе) и лаборатории Тани Миттаг (Детская исследовательская больница Сент-Джуд) раскрыло ключ к расшифровке паттернов, закодированных в определённых типах белковых последовательностей, которые способствуют ЖЖФР.
Важно, что они также выяснили, как специфическое расположение аминокислот, отклоняющееся от паттерна, может негативно влиять на фазовое разделение и приводить к образованию твёрдых агрегатов вместо жидкостей.
Исследование опубликовано в журнале Science.
При стрессе клетки белки клеточного ответа конденсируются в мембране-независимые органеллы — каплевидные жидкие структуры с границами, но без ограничивающих мембран.
Капли образуются путём ЖЖФР — процесса, концептуально схожего с разделением масла и уксуса на сосуществующие жидкие фазы.
Хотя процесс называется разделением, ЖЖФР — это, по сути, процесс сближения или конденсации. Слабо конденсированные белки находятся в жидкой фазе; чем плотнее они упакованы, тем более твёрдыми становятся.
В некоторых случаях, часто из-за мутаций, часть материала в этих обогащённых белком каплях (биомолекулярных конденсатах) превращается в более твёрдые агрегаты.
Конденсация во многих случаях управляется внутренне неупорядоченными областями (IDR) белка. Это участки без определённой трёхмерной формы, которые, тем не менее, играют ключевую функциональную роль, особенно в мозге.
Паппу и его коллеги ранее показали, что определённые части IDR являются «липкими» — они стремятся связываться друг с другом на том же белке или на соседних. Эти «стикеры» (фактически аминокислоты в белковой цепи) и материал между ними, называемый «спейсерами», легли в основу модели «стикер-спейсер» для описания ЖЖФР.
Коллаборация началась с экспериментов лаборатории Миттаг по идентификации ключевых стикеров, ответственных за фазовое разделение. Для этого они наблюдали взаимодействия с разрешением до отдельных аминокислот, используя спектроскопию ядерного магнитного резонанса (NMR).
Эксперименты выявили, какие аминокислоты являются липкими, но не давали целостной картины взаимосвязи стикеров, спейсеров и ЖЖФР.
Здесь в работу включилась команда Паппу. На основе экспериментальных данных лаборатории Миттаг, Паппу и его коллега Алекс Хоулхаус (ныне доцент кафедры биохимии и молекулярной биофизики) разработали открытый вычислительный подход PIMMS (Polymer Interactions in Multicomponent Mixtures) для получения количественного и предсказательного понимания взаимодействий между стикерами, управляющих фазовым разделением.
Дополнительные эксперименты в Сент-Джуде подтвердили их предсказания.
Вместе модели и эксперименты раскрыли новые аспекты взаимосвязи этих стикеров и фазового разделения.
Хотя модель показала вариации в количестве и расположении стикеров, «паттерн расположения стикеров вдоль цепи был очень хорошо консервативен», — сказал Паппу. «Когда вы видите что-то, очень хорошо сохранившееся в эволюции, вы понимаете, что это эволюционно важно».
Естественно, Хоулхаус и Паппу использовали PIMMS, чтобы посмотреть, что произойдёт, если изменить этот важный паттерн.
Команда спросила: «Что будет, если мы просто соберём все эти стикеры рядом друг с другом?» Первый ключевой вывод показал, что взаимодействия между стикерами становятся настолько сильными, что белки начинают слипаться, накапливаться и уплотняться, в конечном итоге становясь скорее твёрдыми, чем жидкими.
Вторым ключевым выводом стало лучшее понимание важности областей между стикерами — спейсеров. Подобно некодирующей или «мусорной» ДНК, спейсеры сначала казались не играющими ключевой роли в функционировании белка.
Оказалось, спейсеры имеют решающее значение для понимания ЖЖФР. «Спейсеры разбавляют силу взаимодействия стикеров, что позволяет формироваться жидкости», — сказала Миттаг. «Без спейсеров стикеры были бы слишком близко, и белки всегда конденсировались бы в твёрдые агрегаты».
Понимание правил, управляющих ЖЖФР, даёт исследователям новый способ «читать» белки, чтобы определить, сконденсируются ли они в жидкость или в более проблемную твёрдую форму.
ЖЖФР актуально не только для нейродегенеративных заболеваний. Оно также может трансформировать наше понимание механизмов многих биологических процессов. «Эта модель актуальна для понимания рака», — отметила Миттаг, из-за её применимости к разным типам белков.
Потенциал дальнейшего сотрудничества огромен, подчеркнул Паппу.
«Мы говорим о чём-то, что записано в молекуле и проявляется почти на клеточном уровне», — сказал Паппу. «Теперь можно играть в инженера и конструировать. Можно думать о нейродегенеративных расстройствах и понимать, что может идти не так».