Wetenschappers van The Scripps Research Institute (TSRI) hebben een cellulair mysterie opgelost dat belangrijke implicaties kan hebben voor fundamentele biologie en ziekten zoals ALS. Hun nieuwe onderzoek suggereert dat RNA het geheime ingrediënt kan zijn dat cellen helpt samen te stellen, interne architectuur organiseren, en uiteindelijk dynamische druppelachtige compartimenten oplossen.

Deze druppelachtige structuren zijn algemeen bekend als membraanloze organellen, en ze zijn de sleutel tot hoe cellen hun biochemie compartimenteren en processen reguleren zoals genexpressie en reactie op stress.

Al 200 jaar, wetenschappers wisten van het bestaan ​​van membraanloze organellen in cellen en vroegen zich af hoe ze worden gereguleerd. Recente studies suggereerden dat het verhogen van de RNA-fractie kan leiden tot de vorming van eiwit-RNA-druppeltjes door een proces dat vloeistof-vloeistoffasescheiding wordt genoemd.

"Het is in feite hetzelfde soort onmengbaarheidsfenomeen dat olie ertoe aanzet om druppeltjes in water te vormen, " zei TSRI universitair hoofddocent Ashok Deniz, die mede-leider was van de studie die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd? Angewandte Chemie als een Very Important Paper (VIP). "Terwijl verschillende zwakke biomoleculaire krachten gezamenlijk resulteren in de vorming van eiwit-RNA-druppeltjes, we hebben ons in deze studie gericht op één bepaald type:elektrostatische interacties aangedreven door tegengesteld geladen biomoleculen. Een belangrijke ontdekking was dat een verdere toename van de RNA-concentratie deze druppeltjes kan oplossen, het terugbrengen van een homogene vloeibare fase."

De snelheid waarmee deze druppeltjes zich vormen en oplossen, kan de sleutel zijn tot cellulaire overleving. "Druppels kunnen zich vormen en oplossen als ze nodig zijn, waardoor cellen zich zeer snel kunnen aanpassen aan cellulaire stress, " zei onderzoeksmedewerker Priya Banerjee, die de studie leidde en als co-eerste auteur diende met afgestudeerde studenten Anthony N. Milin en Mahdi Muhammad Moosa van TSRI.

De nieuwe studie suggereert dat de negatieve lading van RNA-moleculen een sleutel is tot zowel het maken als het oplossen van druppeltjes. "RNA is als een dubbelagent, ' zei Banerjee.

Hoe druppels zich vormen en verdwijnen

RNA heeft over het algemeen een negatieve lading. Wanneer het in eerste instantie in contact komt met positief geladen eiwitten, de tegengesteld geladen moleculen trekken elkaar aan. Samen, ze creëren een moleculair geheel en vormen vloeibare druppeltjes. Deze druppeltjes stellen cellen in staat om belangrijke functies uit te voeren.

De onderzoekers ontdekten ook dat druppeltjes snel oplossen als men RNA in het systeem verhoogt.

"Het toevoegen van meer RNA aan dit systeem verstoort de fijne balans tussen negatieve en positieve ladingen, wat leidt tot de vorming van negatief geladen assemblages die elkaar nu afstoten, waardoor de druppel oplost, " zei co-auteur van de studie Paulo L. Onuchic, een afgestudeerde student in het Deniz Lab.

Deze unieke bevinding werpt licht op een onverwacht regulerend pad. Het onderzoek daagt ook de eerdere opvatting uit dat biomoleculaire krachten die druppeltjes creëren, moeten worden omgekeerd om ze op te lossen. In plaats van het proces om te keren - door ofwel verwijdering van RNA of posttranslationele modificatie van het eiwit om zijn positieve lading te vernietigen - ontdekten de onderzoekers dat het systeem eenvoudig meer RNA kan toevoegen om een ​​druppel op te lossen.

"Het vensterachtige gedrag van druppelvorming als een functie van de RNA-concentratie die hier wordt waargenomen, vertoont een unidirectionele route die kan worden benut door cellen met behulp van processen zoals transcriptie, ' zei Banerjee.

Bij verdere experimenten, het team toonde aan dat RNA-synthese door cellulaire machines inderdaad deze druppeltjes vormt en oplost.

"Holle" druppels maken

Het feit dat RNA druppeltjes kan oplossen, gaf de onderzoekers een unieke kans om de toevoeging van RNA te controleren en het oplossingsproces te bekijken. "Tot onze verbazing in plaats van een eenvoudig proces van druppeloplossing, we observeerden holle bollen die zich in druppeltjes vormden. Een stap terug doen, je ziet dat door meer RNA toe te voegen, we creëren druppeltjes met een lage dichtheid in druppeltjes met een hoge dichtheid, ' zei Deniz.

Deniz vergeleek dit fenomeen met een ijsblokje dat van binnenuit smelt. interessant, deze interne druppeltjes, vacuolen genoemd, lijken op de complexe interne substructuren die typisch worden waargenomen in een aantal cellulaire druppelachtige organellen.

"De sleutel tot het creëren van vacuolen is deze unidirectionele overgang van een aanvankelijke homogene vloeistof naar twee niet-mengbare vloeibare fasen en terug naar een homogene fase door gewoon de fractie RNA te vergroten, ’ voegde Banerjee eraan toe.

Het team ging verder met testen of deze bevindingen van toepassing zouden zijn op een belangrijk eiwit dat wordt aangetroffen in stresskorrels, belangrijke "druppel"-organellen die cellen beschermen tijdens stress. Ze onderzochten een RNA-bindend eiwit genaamd FUS, die is betrokken bij ALS.

"Met FUS, we ontdekten dat RNA druppeltjes kan vormen en oplossen op dezelfde manier als het eenvoudigere modelsysteem. Opmerkelijk, FUS-druppels vertoonden ook complexe interne substructuren, die de weg vrijmaakt voor het vaststellen van de biologische rol van deze vacuolen, ' zei Milin.

Hoewel dit onderzoek zich nog in de beginfase bevindt, de onderzoekers geloven dat mutaties in FUS de normale druppeldynamiek bij sommige patiënten met ALS kunnen verstoren, mogelijk voorkomen dat hun cellen goed omgaan met cellulaire stress.

Het werk opent een aantal wegen voor toekomstig onderzoek naar celbiologie en ziekte, inclusief kwantitatieve studies van dit specifieke type faseovergang in andere biologische systemen, het begrijpen van de moleculaire determinanten in eiwitten en RNA die de druppeldynamiek regelen, en verdere studies van complexe patronen van druppeltjes.