Ученые из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ изучили имеющиеся данные о процессе разделения жидких фаз в клетках. Биофизики предположили, что существует взаимосвязь между разными процессами разделения жидкостей, а последовательность разделений передает сигнал от внешней среды внутрь клетки. Понимание процесса разделения фаз может помочь в изучении причин некоторых болезней. Работа опубликована в журнале Biochimica et Biophysica Acta.
Большинство биохимических реакций внутри клеток происходит в ограниченных пространствах. Некоторые процессы протекают внутри «классических» органелл, таких как ядро, митохондрии и другие. Эти органеллы отделены от остального внутриклеточного пространства двухслойными липидными мембранами. Помимо мембранных органелл, существуют также внутриклеточные включения, не имеющие мембран. Некоторые из них представляют собой твердые белковые тела или нерастворимые скопления, содержащие сшитые белки и другие биологические молекулы. Однако существуют также многочисленные клеточные тела, которые представляют собой капли жидкости, образованные в результате фазового разделения «жидкость — жидкость», — так называемые безмембранные органеллы (схема внутреннего устройства клетки изображена на Рисунке 1). Разделение фаз в биологических системах обычно обеспечивается специальными белками, которые имеют внутренне неупорядоченные области и часто способны связываться с РНК и / или ДНК. Разделение жидких фаз основано на слабых взаимодействиях между биополимерами, однако точные механизмы фазового разделения и биогенеза безмембранных органелл до сих пор полностью не изучены. Нарушения процессов разделения фаз часто служат причиной различных патологий. Так как это явление играет значительную роль в работе нейронов, его изменение может вызвать раннюю деменцию, боковой амиотрофический склероз, а также болезни Альцгеймера и Паркинсона. Некоторые виды рака также могут быть вызваны сбоями фазового разделения в клетках. Полное понимание процессов разделения фаз и их роли в биохимии клетки может помочь в борьбе со многими тяжелыми заболеваниями.
Схема состава клетки. Рисунок взят с сайта wikipedia.org
В работе ученые кратко описывают основные принципы разделения фаз в живых клетках. Авторы нашли взаимосвязь между разными процессами разделения фаз и предположили, что с помощью этого механизма клетка может получать сигналы об изменении внешних условий, практически не затрачивая энергии. Согласно разработанной учеными модели, перераспределение липидов в мембране вследствие разделения жидких фаз может запускать процессы фазового разделения белков, которые, в свою очередь, могут запускать или останавливать другие биохимические процессы в клетке (схема передачи сигнала изображена на Рисунке 2).
Схема передачи сигнала при помощи разделения жидких фаз
«Из-за своей жидкой природы и отсутствия мембран клеточные тела, образованные разделением фаз, могут быстро обмениваться молекулами с окружающей средой, а также быстро образовываться и распадаться в ответ на различные сигналы. Разделение фаз обеспечивает сортировку белков, нуклеинивых кислот и метаболитов в клетке, ускоряет сборку метаболических и сигнальных комплексов и обеспечивает эффективный транспорт субстратов к ним», — рассказывает Семён Нестеров, научный сотрудник лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
«Механизм практически не требует энергии, поэтому клетка способна реагировать даже на кажущиеся незначительными изменения внешних условий и экономить энергию при транспорте молекул. Мы предполагаем, что на механизме разделения жидких фаз может быть основана ранее не исследованная система передачи сигналов внутри клеток. Понимание ее работы может приблизить нас к излечению крайне тяжелых болезней, в том числе некоторых видов рака», — дополняет Владимир Уверский, научный сотрудник лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ и Университета Южной Флориды (США).
Модель поможет в дальнейших исследованиях процесса разделения жидких фаз и передачи сигнала внутри клеток.
3
