Разделение фаз жидкость-жидкость не является предшественником образования амилоидных фибрилл, патологического признака болезни Паркинсона, показывает недавнее исследование. Скорее, образование белков в жидкие капли может помочь растворить агрегированный белок. Исследование, опубликованное в журнале Advanced Science , углубляет наше понимание нейродегенеративных заболеваний, связанных с агрегацией белков, и может помочь в разработке новых методов лечения.

Добавьте уксус в масло и взболтайте: образуются капли масла. Концепция разделения фаз жидкость-жидкость известна в повседневной жизни уже несколько поколений, но ее существование в клетке превратилось в одну из самых горячих тем в биологии.

Пятнадцать лет назад было обнаружено, что молекулы белка могут конденсироваться в капли, изолированные от цитоплазмы клетки без внешней мембраны. Было обнаружено, что в эмбрионах круглых червей белки и РНК образуют крошечные капли , которые помогают управлять генетическим материалом на ранних стадиях роста.

Это открытие породило новый способ мышления о клетке. Оптимизированное эволюцией разделение фаз жидкость-жидкость может быть высокофункциональным. Такие капли могут позволить клеткам компартментализировать молекулы и регулировать биохимические реакции.

Теперь, открыв глаза на эту возможность, исследователи обнаружили их повсюду: в ядре, помогая организовывать ДНК, образуя стрессовые гранулы для защиты и регуляции мРНК, и на концах микротрубочек, действуя как умный молекулярный клей, позиционирующий ядро ​​для деления клетки.

Помимо их функционального значения, капли были вовлечены в болезнь. В случае нейродегенеративных заболеваний, характеризующихся образованием белковых агрегатов, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, предполагалось, что белковые капли являются предшественниками патологической агрегации белков .

Идея этой теории заключается в том, что капли могут концентрировать определенные белки, и это может подтолкнуть их к точке агрегации. Подтверждением этому служат многочисленные наблюдения, что определенные условия, такие как концентрация соли или pH, одновременно способствуют агрегации и конденсации белков. Однако связаны ли эти два процесса — или, точнее, как — остается не доказанным.

Теперь, в самом полном на сегодняшний день исследовании взаимосвязи между агрегацией и разделением фаз жидкость-жидкость, исследовательская группа под руководством Института Пауля Шеррера PSI обнаружила, что образование капель не вызывает агрегацию; напротив, оно может защитить от нее.

Пятьсот условий
Исследователи изучили белок альфа-синуклеин (ɑSyn), который слипается, образуя амилоидные фибриллы, которые в конечном итоге приводят к гибели клеток у пациентов с болезнью Паркинсона.

Чтобы установить истинную связь между агрегацией и образованием капель, исследователи методично исследовали поведение белков ɑSyn в самых разных условиях: концентрация белка, концентрация соли и присутствие различных концентраций агентов краудинга, которые имитируют сложную молекулярную среду цитоплазмы. Каждый из них изучался при разных значениях pH.

В общей сложности исследователи изучили более пятисот различных состояний. Для каждого состояния они отслеживали прогрессию образования или агрегации капель в течение четырех месяцев, регулярно делая снимки с помощью световой микроскопии.

Для изучения стольких условий исследователи использовали роботизированную установку кристаллизации в Swiss Light Source SLS. Эта техника обычно используется для подготовки кристаллов белка для экспериментов по рентгеновской кристаллографии.

«Находясь на крупных объектах и ​​работая бок о бок с учеными, работающими на пучках, мы смогли подойти к этой проблеме с другой стороны», — объясняет научный сотрудник PSI Ребекка Штернке-Хоффманн, первый автор исследования.

«Интересно, что кристаллографы знали, что белки могут образовывать капли, уже очень давно. Это было просто еще одно явление, которое они наблюдали в своих поисках идеального кристалла», — добавляет ученый PSI Цзинхуэй Ло, возглавлявший исследование.

Чтобы дополнить эту макроскопическую историю, исследователи использовали измерения малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) на швейцарском источнике света SLS и провели моделирование, чтобы понять микроскопическую картину.

Уксус в масле и уксус в молоке — это разные процессы.
Скрупулезные эксперименты показали, что условия, которые приводят к образованию стабильных капель или агрегации белков, не одинаковы. Вопреки общепринятой теории, согласно которой агрегаты возникают из капель, исследователи продемонстрировали независимое образование капель и агрегатов в αSyn в различных условиях белка, соли и скученности.

В ходе своих длительных исследований исследователи смогли увидеть, действительно ли капли превращались в агрегаты. Ответ: они этого не делали, даже спустя сто двадцать дней. Действительно, вместо того, чтобы способствовать агрегации в фибриллы, капли, как ни странно, оказывали противоположный эффект. Во время длительных инкубаций ранее считавшиеся необратимыми фибриллы трансформировались в капли.

«Это наблюдение указывает на функциональную роль капель жидкости в предотвращении образования твердых агрегатов при определенных условиях», — говорит Луо. Современное понимание разделения фаз жидкость-жидкость в клетке определяет его как высокоразвитую особенность, связанную с функциональностью, тогда как агрегация, особенно в случае αSyn, связана с болезнью.

«С этой точки зрения было бы несколько удивительно, если бы белковые капли были предшественниками агрегации белков», — предполагает он.

Благодаря измерениям SAXS в сочетании с моделированием и анализом последовательностей исследователи смогли понять наблюдаемые ими различия: агрегация происходит в основном из-за взаимодействий между хвостами отдельных молекул белка, в то время как разделение фаз жидкость-жидкость происходит из-за взаимодействий между различными молекулами белка .

Если связать открытие с аналогией масла и воды: добавьте уксус к маслу, и масло образует капли. Добавьте уксус к молоку, и образуются твердые агрегаты белка. Хотя в обоих случаях виновником является уксус, агрегацией и образованием капель управляют совершенно разные процессы.

Более глубокое понимание сложного взаимодействия между агрегацией белков и разделением фаз жидкость-жидкость актуально не только для болезни Паркинсона, но и для других нейродегенеративных заболеваний, характеризующихся агрегацией белков, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингдона и болезнь Крейтцфельдта-Якоба. В свою очередь, это может привести к появлению новых методов лечения.