Органеллы без мембран

Каждая клетка нашего организма — это микроскопическая биохимическая фабрика, на которой одновременно происходят сотни биохимических реакций по синтезу новых молекул и утилизации старых. Чтобы реакции протекали слажено и с минимальным количеством побочных продуктов, содержимое клетки организовано в структуры − органеллы. Например, окисление и извлечение энергии из органических веществ происходит в митохондриях, а копирование ДНК и синтез РНК — в ядре.

Митохондрии, ядро и другие органеллы окружены липидной мембраной, отделяющей содержимое клетки от содержимого органеллы. Сама клетка тоже имеет липидную мембрану.

Долгое время считали, что мембрана — неотъемлемый компонент живой структуры. Однако в последнее десятилетие исследователи обнаружили, что в клетке есть безмембранные органеллы (их еще называют биомолекулярными конденсатами), которые сами собой собираются и разбираются за счет фазового перехода «жидкость—жидкость». Состоят они из белков или из белков и РНК. Наглядный пример такого перехода − образование капель масла в воде.

В безмембранных органеллах могут храниться вещества, временно не нужные клетки; также они участвуют в адаптации клетки к стрессу. Несмотря на большое количество работ в этой области, до сих пор неизвестно, как происходит самосборка растворенных белков и РНК в упорядоченные структуры и какие факторы на это влияют.

Команда ученых из Университета Буффало (Нью-Йорк) и Университета Айовы решила смоделировать процесс сборки безмембранных органелл in vitro. В качестве строительного материала они использовали РНК, прионоподобный полипептид (PLP) и богатый аргинином полипептид (RRP). Три компонента смешивали в разном соотношении в буферном растворе и наблюдали за образованием конденсатов с помощью конфокального микроскопа.

Ученые выяснили, что состав и структура конденсата зависят от конкурентных взаимодействий белок—белок и белок—РНК. В экспериментальной системе PLP и РНК конкурировали за связывание с RRP. Поскольку RRP охотнее взаимодействуют с РНК, чем с PLP, то под действием РНК происходило расслоение системы с двумя белками на две несмешивающиеся фазы, состоящие из PLP и RRP—РНК. Причем эти фазы могли сосуществовать более 24 часов.

Пространственная организация таких конденсатов (будут ли они раздельными, слитными или встроенными друг в друга) зависела от концентрации РНК. Если РНК меньше, чем пептида RRP, то конденсаты РНК—RRP (см. выше) полностью поглощаются каплями другого пептида — PLP. Если же РНК больше, то этот конденсат лишь частично поглощается каплями PLP, формируя границу раздела между двумя типами конденсатов.

На формирование конденсатов также влияют структура и нуклеотидный состав РНК и аминокислотный состав белков. От формы и состава конденсатов зависит их способность поглощать определенные вещества и поддерживать специфическую микросреду. Пока непонятно, происходит ли по такому механизму конденсация белков и РНК внутри клетки.

Эксперименты американских ученых показали, что даже в простой системе из трех компонентов возникают различные по структуре и свойствам конденсаты, которым, если подумать, можно найти весьма интересные приложения в медицине.

(Nature Communications, 2021, 12, полный текст)