Нові відкриття пояснюють давню таємницю клітин

Вчені з Інституту Пауля Шеррера та ETH Zurich розкрили механізм, за допомогою якого білки утворюють маленькі краплі рідини, які діють як розумний клей у клітинах. Ці краплі прикріплюються до кінців мікротрубочок, що допомагає правильно розташувати ядро ​​клітини під час поділу. Дослідження, опубліковане в Nature Cell Biology, пояснює давню таємницю того, як рухомі білкові структури в клітинах з’єднуються разом.

З’єднання між рухомими частинами машин мають вирішальне значення для їх правильного функціонування. Незалежно від того, чи є вони жорсткими, чи гнучкими, як-от з’єднання між валами у двигуні або з’єднаннями в корпусі, властивості матеріалу забезпечують правильну передачу механічних зусиль. Це особливо вірно в клітинах, де взаємодія між рухомими субклітинними структурами є важливою для багатьох біологічних процесів. Однак те, як природа досягає цього зв’язку, довго спантеличило вчених.

Тепер дослідники, досліджуючи зв’язок, важливий для поділу клітин дріжджів, виявили, що для цього білки взаємодіють таким чином, що вони конденсуються в краплі рідини. Дослідження було результатом співпраці між командами Мішеля Штайнмеца з Інституту Пауля Шеррера PSI та Іва Барраля з ETH Zurich за допомогою груп Еріка Дюфрена та Йорга Стеллінга з ETH Zurich.

Утворюючи краплю рідини, білки досягають ідеальних властивостей матеріалу для забезпечення біологічної функції. Це відкриття є лише початком нового розуміння ролі розумних рідин у клітині, вважає Баррал, чия дослідницька група досліджує процес клітинного поділу в дріжджах. «Ми з’ясовуємо, що рідини, що складаються з біомолекул, можуть бути надзвичайно складними та демонструвати набагато ширший спектр властивостей, ніж ми звикли з нашої макроскопічної точки зору. У цьому відношенні, я думаю, ми побачимо, що ці рідини мають вражаючі властивості, які були відібрані еволюцією протягом 100 мільйонів років».

Мікротрубочки: зв’язки клітини

Дослідження зосереджено на з’єднанні, яке відбувається на кінцях мікротрубочок – ниток, які перетинають цитоплазму клітини та мають тривожну схожість з чужорідними щупальцями. Ці порожнисті трубки, утворені з будівельного блоку тубуліну, діють як буксирні троси, транспортуючи різні вантажі через клітину.

Мікротрубочки отримують один із найважливіших вантажів під час поділу клітини. У дріжджів вони виконують важливу функцію перетягування ядра, що містить хромосоми, що діляться, між материнською та бруньку вальною дочірньою клітиною. Для цього мікротрубочка повинна з’єднатися за допомогою моторного білка з актиновим кабелем, закріпленим у клітинній мембрані нової дочірньої клітини. Потім моторний білок рухається вздовж актинового кабелю, втягуючи мікротрубочку в дочірню клітину, поки її дорогоцінний вантаж генетичного матеріалу не досягне місця призначення між двома клітинами.

Це з’єднання – необхідне для подальшого поділу клітини – має витримувати напругу під час руху рухового білка та дозволяти ядру делікатно маневрувати. Мішель Штайнмец, чия дослідницька група в PSI є експертами зі структурної біології мікротрубочок, пояснює: «Між мікротрубочками та моторним білком має бути клей. Без нього, якщо мікротрубочка від’єднається, ви отримаєте дочірню клітину без генетичного матеріалу, яка не виживе».

Гнучкий зв’язок природи

У дріжджах три білки, які утворюють ядро ​​так званої мережі Kar9, прикрашають кінчик мікротрубочки, щоб досягти цього з’єднання. Те, як вони досягають необхідних властивостей матеріалу, здавалося, суперечило традиційному розумінню взаємодії білків.

Одне питання, яке довго хвилювало вчених, полягало в тому, як три основних мережевих білків Kar9 залишаються прикріпленими до кінчика мікротрубочки, навіть якщо субодиниці тубуліну додаються або видаляються: еквівалентно тому, як гачок на кінці буксирного троса залишається на місці, поки вставляються сусідні ділянки мотузки. або відрізали. Тут їхнє відкриття дає відповідь: як крапля рідкого клею прилипає до кінця олівця, так і ця білкова «рідина» може прилипати до кінця мікротрубочки, навіть коли вона росте або зменшується.

Дослідники виявили, що для досягнення цієї властивості рідини три основні білки мережі Kar9 співпрацюють через мережу слабких взаємодій. Оскільки білки взаємодіють у кількох різних точках, якщо одна взаємодія не вдається, інші залишаються, а «клей» здебільшого зберігається. Дослідники вважають, що це надає гнучкості, необхідної мікротрубочці, щоб залишатися прикріпленою до моторного білка навіть під напругою.

Щоб зробити своє відкриття, дослідники методично дослідили взаємодію між трьома білковими компонентами мережі Kar9. Базуючись на структурних знаннях, отриманих у Swiss Light Source SLS у попередніх дослідженнях, вони могли мутувати білки, щоб вибірково видалити сайти взаємодії та спостерігати ефекти in vivo та in vitro. Джерело