Крошечные частицы, называемые биомолекулярными конденсатами, ведут к новому пониманию клетки
Никто не ожидал пришествия капелек. В 2009 году группа биофизиков под руководством Энтони А. Хаймана из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка в Дрездене (Германия) изучала похожие на пятна структуры, называемые P-гранулами, в одноклеточном эмбрионе крошечного червя, обитающего в верхних слоях почвы. Известно, что эти гранулы накапливаются только на одном конце клетки, делая её несимметричной, так что при делении две дочерние клетки оказываются разными. Исследователи хотели узнать, как возникает такое неравномерное распределение P-гранул.
Они обнаружили, что эти сгустки, состоящие из белка и РНК, конденсируются на одной стороне клетки, как капли дождя во влажном воздухе, и снова растворяются на другой стороне. Другими словами, молекулярные компоненты гранул претерпевали фазовые переходы, подобные тем, которые превращают вещество из жидкости в газ.
Это было странным явлением в клеточной биологии. Но поначалу многим исследователям это казалось не более чем причудой и не привлекало особого внимания. Затем эти маленькие капли — теперь их называют биомолекулярными конденсатами — стали появляться практически во всех местах клеток, пригождаясь в огромном количестве жизненно важных задач.
Биологи долгое время считали, что для придания порядка и организованности хаосу молекул внутри клетки необходимы ограниченные мембранами отсеки, называемые органеллами, такие как митохондрии. Но, как оказалось, конденсаты предлагают «порядок бесплатно», не нуждаясь в мембранах. Они обеспечивают простую, универсальную организацию, которую клетки могут включать или выключать. Такая организация позволяет делать многое из того, от чего зависит жизнь, объясняет биофизик Петра Швиль из Института биохимии Макса Планка в Мартинсриде, Германия.
По словам инженера-биофизика Клиффа Брэнгвинна, который входил в состав дрезденской группы 2009 года, а сейчас руководит собственной лабораторией в Принстонском университете, эти маленькие шарики внутри живых клеток теперь проявляют себя во всех областях живого мира и «связаны практически со всеми аспектами клеточных функций». Они защищают клетки от опасно высоких или низких температур, восстанавливают повреждения ДНК, контролируют превращение ДНК в важнейшие белки. А когда они выходят из строя, это может вызвать заболевания.
Биомолекулярные конденсаты теперь кажутся ключевой частью того, как жизнь заставляет свои бесчисленные молекулярные компоненты координироваться и сотрудничать, формировать «комитеты», принимающие групповые решения, от которых зависит само наше существование. «Главная проблема клеточной биологии заключается не в том, как несколько кусочков головоломки подходят друг к другу, — говорит Брангвинн, — а в том, как миллиарды таких кусочков приводят к возникновению динамических структур в больших масштабах».
По словам биофизика Саймона Альберти из Технического университета Дрездена, эти вездесущие частички «полностью захватили клеточную биологию». Теперь задача состоит в том, чтобы понять, как они образуются, что они делают и, возможно, как управлять ими, чтобы разработать новые методы лечения и терапии.
Изначально исследователи, изучавшие конденсаты, считали, что они образуются в результате коалесценции, когда одна жидкая фаза становится нерастворимой в другой, как капельки уксуса в масле для заправки салата. Но конденсаты не всегда являются просто жидкостями, разделёнными по фазе.
В 2012 году биофизик Майкл Розен из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета в Далласе и его коллеги показали, что различные белки и молекулы РНК могут фазово отделяться от раствора в плотные жидкие капли, которые затем сгущаются в вязкоупругие вещества. Они, похоже, охватывают диапазон от клейких жидкостей, таких как слизь, до почти твёрдых гелей, таких как желе. Или, как говорит биофизик Рохит Паппу из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, «все конденсаты — это Silly Putty» [жвачка для рук, пластичная полимерная масса / прим.перев.].
Термин «биомолекулярные конденсаты», предложенный Хайманом, Розеном и их коллегами в 2017 году, опровергает раннее представление о том, что эти вездесущие шарики являются жидкостями.
Конденсаты могут выглядеть беспорядочно по сравнению с точными молекулярными соединениями, которые привыкли изучать биохимики и молекулярные биологи. Это не статичная форма, а место встречи молекул, часто рыхлая коллекция из нескольких различных компонентов, некоторые из которых могут перемещаться внутрь или наружу. Некоторые из этих компонентов, называемые молекулами-скаффолдами, необходимы для ткани, они склеиваются в гелеобразные сети. Другие, иногда называемые молекулами-клиентами, просто болтаются в сети. Однако и те, и другие, похоже, способны приходить и уходить из конденсата, не разваливая его на части.
Обычно гели содержат белки и молекулы РНК. Архетипический образ белка — это фермент, состоящий из цепочки аминокислот, плотно свёрнутых в глобулу. Но многие белки в конденсатах имеют более открытые и неровные части (как варёные спагетти), или то, что биохимики называют внутренне неупорядоченными областями.
Такие белки, образующие конденсат, часто имеют липкие участки, например, где цепи несут электрические заряды, которые могут притягиваться друг к другу, соединённые неупорядоченными и гибкими сегментами. В отличие от общепринятого мнения о том, что белки, как и ферменты, связывают другие молекулы плотно и очень избирательно, взаимодействие внутренне неупорядоченных белков может быть довольно слабым и беспорядочным: они не слишком разборчивы в выборе того, что они связывают.
Ещё один компонент многих конденсатов — молекулы РНК, которые также представляют собой длинные цепи, усыпанные электрическими зарядами. Долгое время считалось, что РНК служит в основном посредником, переносящим информацию от гена к механизму рибосомы, который преобразует её в аминокислотную последовательность цепи белка. Но РНК, образующие конденсаты, как правило, принадлежат к другому семейству: некодирующим РНК, которые не являются простыми посредниками для создания белков, а важны сами по себе.
Некоторые из белков, входящих в состав конденсатов, принадлежат к семейству, задача которого, по-видимому, состоит в том, чтобы связывать РНК. Настраивая последовательности и структуры белков и РНК, чтобы изменить их склонность к связыванию, биология имеет циферблаты для изменения функций конденсатов или условий, в которых они образуются.
Например, белки могут переходить в режим образования конденсатов, когда ферменты «украшают» их другими химическими группами, например электрически заряженными фосфатами, изменяя их форму и липкость. Или же эти шарики могут проявиться, когда клетка начинает синтезировать составляющую их РНК. Так, например, происходит, когда наши клетки создают некодирующую РНК под названием NEAT1 — основу для конденсатов, называемых параспекулами, которые играют роль в регуляции генов.
Странно, но учёные имели доказательства существования конденсатов с тех самых пор, когда только узнали о существовании живых клеток — они просто не знали, что с ними делать. Ещё в 1830 году первые микроскописты заметили загадочные вкрапления внутри клеточного ядра. Позже выяснилось, что они называются нуклеолами и являются местом, где создаётся рибосома. Но только в 2011 году Бранг-Уинн, Хайман и ветеран клеточной биологии Тим Митчисон из Гарвардской медицинской школы прояснили, чем на самом деле являются нуклеолы: разделёнными по фазе жидкостями, похожими на капли.
У этих капелек много работы. Похоже, они помогают держать под контролем все многочисленные этапы сборки рибосомы, состоящей из множества белков и фрагментов РНК. Брангвинн и другие исследователи показали, что жидкоподобные нуклеолы (тип конденсата) разделены на несколько концентрических слоёв с разным составом, подобно скорлупе, белку и желтку яйца. «Этот слоистый конденсат позволяет пространственно разделить различные этапы обработки», — объясняет он.
Помимо нуклеолы, конденсаты связаны с другими давно известными отделами и органеллами клетки. Одна из них называется Гольджи: набор лентообразных липидных мембран, расположенных рядом с ядром, которые служат своего рода сортировочным центром для белков и других молекул. Йиюн Чжан и Йоахим Зееман из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета в Далласе показали, что когда клетки подвергаются стрессу, эти ленты поддерживаются или ремонтируются конденсатом, образованным из белка под названием GM130.
Этот белок создаёт матрицу на мембране Гольджи, а затем собирает РНК и РНК-связывающие белки в жидкую фазу, которая помогает склеить мембраны в стопку. Однако в условиях стресса белок и РНК диссоциируют, конденсат распадается, и лента начинает разрушаться. Затем освобождённый GM130 собирается вместе с РНК в конденсатные «стрессовые гранулы», которые хранят его, чтобы склеить мембраны обратно, когда стресс пройдёт.
Это лишь один пример того, как конденсаты помогают клеткам пережить трудные времена. Одним из распространённых стрессовых факторов является тепло, которое может привести к «денатурации» или расщеплению свёрнутых белков. Многие клетки, когда им становится некомфортно, вырабатывают белки теплового шока, которые могут выступать в роли молекулярных шаперонов, возвращающих денатурированные белки в свёрнутое состояние. Это важно не только для того, чтобы белки работали правильно, но и для того, чтобы развёрнутые белки не слипались в беспорядочную кашу.
Но, по мнению биохимика Д. Аллана Драммонда из Чикагского университета, в этой картине всегда было что-то не то. Из неё следует, что если клеткам становится слишком жарко и нужно вырабатывать белки теплового шока, то они могут почувствовать это только в том случае, если повреждение уже произошло. «Тут что-то явно не складывается», — говорит он.
Вместо этого Драммонд подозревает, что клетки чувствуют температуру и другие виды стресса путём образования конденсата. В 2017 году он и его коллеги обнаружили, что стрессовые гранулы, которые появляются в клетках дрожжей, содержат конденсаты, состоящие из РНК-связывающего белка Pab1. Когда этот белок связывается в конденсат, он теряет большую часть своей способности связывать молекулы матричной РНК, которые кодируют белки-шапероны, необходимые для защиты от теплового шока.
Когда исследователи ввели мутации в ген, кодирующий Pab1, они смогли изменить склонность полученного белка к образованию конденсатов таким образом, что клетки с мутацией плохо реагировали на нагревание. Таким образом, считает Драммонд, образование конденсата — фазовый переход, который резко происходит при определённом пороге (скажем, при температуре), — само по себе является датчиком стресса, который предупреждает клетку о проблеме и провоцирует ответную реакцию. «Если добавить конденсаты в схему работы клеток, то вы полностью перестроите своё мышление», — говорит он.
Другой распространённой угрозой для клеток является повреждение ДНК, вызванное, например, воздействием ультрафиолетового света или токсинов из окружающей среды. Группа Альберти обнаружила, что конденсаты могут действовать как суперклей, удерживая повреждённые нити ДНК вместе, пока ферменты восстанавливают их.
Давно известно, что в восстановлении ДНК участвует белок PARP1. В начале 2024 года группа Альберти сообщила, что эта молекула путешествует по нитям ДНК, пока не обнаружит разрыв, после чего она объединяется с ДНК в конденсат, ограждая повреждение от остальной части ядра. «Клей получается очень прочным», — говорит Альберти. Затем белок под названием FUS встраивается в сгусток клея и размягчает его, чтобы другие ферменты могли работать внутри конденсата, соединяя концы нити обратно. Поскольку повреждение ДНК может быть смертельным для клеток, лекарства, нацеленные на PARP1 в раковых клетках и останавливающие восстановление ДНК путём фиксации клея в «твёрдой» форме, могут убить их.
Организация сложных биохимических процессов и реакция на стресс — две распространённые функции конденсатов. Паппу, его коллега Ифань Дай и их коллеги недавно обнаружили ещё одну: конденсаты могут выступать в качестве катализаторов биохимических реакций, даже если входящие в их состав белки не участвуют в них. Это происходит потому, что конденсаты создают границу раздела двух фаз, что приводит к градиенту концентраций, например, ионов, создавая электрическое поле, которое может запускать реакции. Исследователи продемонстрировали катализ широкого спектра биохимических реакций, включая гидролиз (когда вода расщепляет другие молекулы), вызванный конденсатом.
Конденсаты также могут играть роль в одном из самых важных процессов в биологии: как гены регулируются, чтобы определить, будут ли они генерировать соответствующие белки или нет. В сложных организмах, таких как человек, начальный процесс транскрипции — когда ген в ДНК считывается, чтобы создать молекулу мРНК, на основе которой будет создан белок, — представляет собой сложнейшее дело. В нём задействовано множество участников: участки ДНК за пределами самого гена, такие как энхансеры (которые часто находятся на довольно удалённых участках нити), белки, называемые факторами транскрипции, которые связываются с ДНК, ферменты, производящие РНК, и многое другое.
Как все эти компоненты собираются вместе и принимают групповое решение по регулированию транскрипции, пока неясно. «Когда я переходил из физики в биологию, — говорит Паппу, — я сидел [на конференциях] и слушал разговоры о регуляции генов — это активирует это, а это вербует то — и всё время думал: «Эти молекулы, что — звонят друг другу по сотовому телефону? Что, чёрт возьми, происходит?»
Похоже, что именно конденсатоподобные агрегаты могут объединять эти компоненты в клубке ДНК в клеточном ядре. Нить ДНК сама по себе может служить семенем для таких капель, подобно частицам атмосферной пыли, которые служат основой для конденсации облачных капель. Этот сгусток может всасывать удалённые участки энхансеров на петлях ДНК, собирая при этом все остальные необходимые молекулы и не давая им улетучиться.
Молекулярные скопления во время транскрипции — это значительно более мелкие процессы, чем во многих других конденсатах, и их трудно чётко рассмотреть внутри ядер живых клеток. Поэтому до сих пор ведутся споры о том, являются ли такие «транскрипционные узлы» настоящими жидкими капельками и является ли образование конденсата существенной частью процесса или побочным эффектом. Другая возможность, говорит Драммонд, заключается в том, что все эти молекулы, собранные в одном пространстве, объединяются в более упорядоченный комплекс, чтобы инициировать транскрипцию, но их скопление также приводит к образованию конденсата.
Многое ещё предстоит разгадать. «Я говорю людям, что всё, что я знаю, — это то, что эти [транскрипционные] белки действительно хотят разделиться на фазы, — говорит Брангвинн. — Я просто не вижу другой правдоподобной модели. Фазовое разделение — самое правдоподобное объяснение».
Объединение белков в плотные сгустки, похоже, является неотъемлемым аспектом жизнедеятельности. Но у этого процесса есть и тёмная сторона.
Спутанные комки белка уже давно связаны с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона и Альцгеймера. Эти твёрдые узлы, называемые амилоидами, могут быть токсичными для клеток и разрушать нервную ткань. Некоторые исследователи подозревают, что такие проблемные белковые агрегаты могут возникать из-за неправильного контроля вездесущих, эфемерных конденсатов, например, из-за генных мутаций, влияющих на составляющие их белки таким образом, что они склонны сливаться в долгоживущие твёрдые комки.
Поначалу исследователи твердили: «Жидкий — хорошо, твёрдый — плохо», но это, очевидно, слишком упрощённо, поскольку здоровые конденсаты обладают целым рядом свойств, в том числе и твёрдыми. Что на самом деле отличает «хорошие» конденсаты от «плохих» — сейчас это один из актуальных вопросов для данной области.
Возможная связь между конденсатами и патологическими амилоидами изучается в поисках методов лечения нейродегенерации. Возможно, антисмысловые олигонуклеотиды — короткие сегменты нуклеиновых кислот, которые могут связываться с РНК, — будут использоваться для подавления агрегации белков, связанных с этими заболеваниями. Они также изучаются на предмет отключения молекул РНК, образующих конденсаты.
Аналогичным образом, важность таких конденсатов, как параспекулы, в регуляции генов означает, что нарушение их регуляции может привести к самым разным заболеваниям, включая рак. Сейчас в Бостоне зарождается область терапии конденсатов, которой занимаются такие начинающие компании, как Dewpoint Therapeutics (соучредители — Хайман, биолог Ричард Янг из Массачусетского технологического института и нобелевский лауреат Филлип А. Шарп) и Nereid Therapeutics (которая основывается на работах Брангвинна). По словам Брангвинна, «в этой области наблюдается огромный прогресс». «Биофизика конденсированного слоя теперь позволяет переводить лекарства в клинические испытания».
До сих пор основное внимание уделялось лечению нейродегенеративных заболеваний и рака, но есть и попытки бороться с вирусными инфекциями с помощью конденсатов. Некоторые вирусы, похоже, «захватывают» белки, образующие конденсаты, чтобы помочь им реплицироваться, поэтому воздействие на эти конденсаты может помешать вирусу. В 2021 году исследователи из Франции и Китая показали, что лекарство, которое делает вызванные вирусом конденсаты, называемые телами включения, более твёрдыми, может остановить инфекцию RSV, респираторно-синцитиального вируса человека.
В 2023 году, когда Брангвинн и Хайман получили за свою работу премию Breakthrough Prize в размере 3 миллионов долларов, это, несомненно, стало признаком того, что конденсаты вышли на передний план. «В ближайшие 10 лет нас ждёт много интересного», — говорит Альберти. И хотя многие вопросы о биомолекулярных конденсатах остаются нерешёнными, эти шарики, по мнению Драммонда, — «революция, которую мы ждали».
Может показаться странным, что потребовалось так много времени, чтобы увидеть конденсаты такими, какие они есть. По крайней мере, частично ответ заключается в том, что они не вписываются в картину молекулярной биологии, которая преобладала на протяжении многих десятилетий. Старая парадигма рассказывала о том, как молекулы передают информацию по клетке, собираясь вместе посредством избирательных взаимодействий, жёстко закодированных в их структуре. Конденсаты подрывают эту точку зрения. Они рыхлые, переходные и гибкие, и они показывают, что многие ключевые процессы в клетке осуществляются с помощью молекулярных «комитетов», состоящих из многих сотен членов.
Швилль подозревает, что достижение молекулярной организации с помощью конденсатов, вероятно, имело решающее значение при зарождении самой жизни, до того как нуклеиновые кислоты и белки приобрели точно определённые структуры. В частности, они показывают, как отсеки, похожие на клетки, могли спонтанно образоваться из прародителей этих полимерных биомолекул путём разделения жидкой фазы.
На самом деле о подобных белковых сгустках было сообщено в 1929 году двумя голландскими химиками, которые назвали их коацерватами, а несколько лет спустя русский биохимик Александр Опарин назвал их первыми примитивными «прото-клетками». Швиль считает, что такие отсеки, отделяя одни молекулы от других, могли создавать градиенты концентрации, которые поддерживают живые организмы во внеравновесном состоянии.
Паппу предполагает, что каталитические конденсаты могли играть важную роль в таких протоживых образованиях ещё до того, как белки сами стали способны действовать как ферменты. По словам Альберти, одним из главных вопросов будущего является то, как эволюция впоследствии использовала конденсаты. Как силы естественного отбора воздействуют на всех молекулярных игроков, изменяя и настраивая их способность образовывать конденсаты? «Это будет очень интересно изучать», — говорит Альберти. «Нам приходится объединять эволюционную биологию с физикой».
Однако уже сейчас конденсаты сигнализируют о новом этапе в нашем понимании того, как устроена жизнь на молекулярном уровне. «Сейчас мы понимаем, что [традиционной] биохимии и структурной биологии недостаточно для описания того, что происходит в клетке, особенно когда мы имеем дело с процессами, включающими множество компонентов, — говорит Альберти. Нам нужно понять, как все эти компоненты координируют своё взаимодействие, чтобы создать единое целое, которым является клетка».
Капельки показывают важный масштаб, на котором происходит эта координация: где-то между размером многокомпонентных комплексов, таких как хромосомы, и размером целых клеток. Это масштаб, где молекулы уже не работают как точные маленькие машинки, а собираются в некое материальное целое, управляемое коллективной физикой фазовых переходов, но при этом чувствительное к деталям своих молекулярных компонентов. Мы пока не знаем правил, определяющих, что происходит в этих масштабах. Но сейчас как никогда ясно, что жизнь зависит от них.
