Kondensat biomolekularny

Zobacz także: Inkluzje cytoplazmatyczne
Powstawanie i przykłady organelli bezbłonowych

W biochemii kondensaty biomolekularne są klasą bezbłonowych organelli i subdomen organelli, które pełnią wyspecjalizowane funkcje w komórce . W przeciwieństwie do wielu organelli skład kondensatu biomolekularnego nie jest kontrolowany przez otaczającą błonę. Zamiast tego kondensaty mogą tworzyć i utrzymywać organizację poprzez szereg różnych procesów, z których najbardziej znanym jest rozdzielanie faz białek , RNA i innych biopolimerów na koloidalne emulsje, żele , ciekłe kryształy , stałe kryształy lub agregaty w komórkach.

Historia

Teoria micelarna

Granulki skrobi kukurydzianej

Teoria micelarna Carla Nägeli została opracowana na podstawie jego szczegółowych badań granulek skrobi w 1858 r. Zaproponowano, aby substancje amorficzne, takie jak skrobia i celuloza, składały się z bloków budulcowych, upakowanych w luźno krystaliczny układ, tworząc coś, co później nazwał „micelami”. Woda może przenikać między micele, a nowe micele mogą tworzyć się w szczelinach między starymi micelami. Pęcznienie ziaren skrobi i ich wzrost opisał za pomocą modelu molekularno-agregacyjnego, który zastosował również do celulozy ściany komórkowej roślin. Współczesne użycie słowa „ micela ” odnosi się ściśle do lipidów, ale jego pierwotne użycie wyraźnie rozciągało się na inne rodzaje biomolekuł , a dziedzictwo to znajduje odzwierciedlenie do dziś w opisie mleka jako złożonego z „ miceli kazeinowych ”.

Teoria rozdzielania faz koloidalnych

Granulki glikogenu w spermiogenezie u Pleurogenidae (Digenea)

Koncepcja koloidów wewnątrzkomórkowych jako zasady organizacji kompartmentalizacji żywych komórek sięga końca XIX wieku, poczynając od Williama Bate'a Hardy'ego i Edmunda Beechera Wilsona , którzy opisali cytoplazmę (wówczas zwaną „ protoplazmą ”) jako koloid . Mniej więcej w tym samym czasie Thomas Harrison Montgomery Jr. opisał morfologię jąderka , organelli w jądrze, która, jak wykazano, powstaje w wyniku wewnątrzkomórkowego rozdziału faz. WB Hardy połączył tworzenie koloidów biologicznych z rozdziałem faz w swoich badaniach nad globulinami , stwierdzając, że: „Globulin jest rozproszony w rozpuszczalniku jako cząstki, które są cząstkami koloidu i które są tak duże, że tworzą fazę wewnętrzną” i dodatkowo przyczyniły się do podstawowego opisu fizycznego rozdzielania faz olej-woda.

Separacja faz koloidalnych jako siła napędowa organizacji komórkowej mocno przemawiała do Stephane'a Leduca , który napisał w swojej wpływowej książce The Mechanism of Life z 1911 roku: kontakt dwóch różnych cieczy.Biologia jest więc tylko gałęzią fizykochemii cieczy; obejmuje badanie roztworów elektrolitycznych i koloidalnych oraz sił molekularnych wprowadzanych do gry przez roztwór, osmozę, dyfuzję, kohezję i krystalizację ”.

Pierwotna teoria powstania życia zupy , zaproponowana przez Aleksandra Oparina w języku rosyjskim w 1924 r. (Opublikowana w języku angielskim w 1936 r.) I przez JBS Haldane'a w 1929 r., Sugerowała, że ​​życie poprzedziło powstanie czegoś, co Haldane nazwał „gorącą rozcieńczoną zupą” „ koloidalnych substancji organicznych”, które Oparin nazwał „ koacerwatami ” (za de Jongiem) – cząsteczkami złożonymi z dwóch lub więcej koloidów , którymi mogą być białka, lipidy lub kwasy nukleinowe. Pomysły te silnie wpłynęły na późniejszą pracę Sidneya W. Foxa nad mikrosferami proteinoidowymi.

Wsparcie z innych dyscyplin

Kazeina micelarna

Kiedy biolodzy komórkowi w dużej mierze porzucili separację faz koloidalnych , dalsze postępy w badaniach biomolekuł rozdzielających fazy w komórkach pozostawiono względnym osobom z zewnątrz - naukowcom zajmującym się rolnictwem i fizykom.

Począwszy od wczesnych lat siedemdziesiątych Harold M Farrell Jr. z Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych opracował model separacji faz koloidalnych dla miceli kazeiny mleka , które tworzą się w komórkach gruczołu sutkowego przed wydzielaniem w postaci mleka.

Również w latach 70. fizycy Tanaka i Benedek z MIT zidentyfikowali zachowanie rozdzielania faz krystalicznych białek gamma z komórek nabłonka soczewki i zaćmy w roztworze, które Benedek nazwał „ kondensacją białek” .

Nabłonek soczewki zawierający krystalinę. Podręcznik fizjologii (1892)

W latach 80. i 90. laboratorium fizyki polimerów Athene Donalda w Cambridge obszernie scharakteryzowało przejścia fazowe / separację faz granulek skrobi z cytoplazmy komórek roślinnych, które zachowują się jak ciekłe kryształy .

W 1991 roku Pierre-Gilles de Gennes otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za opracowanie uogólnionej teorii przejść fazowych ze szczególnymi zastosowaniami do opisu uporządkowania i przejść fazowych w polimerach. Niestety, de Gennes napisał w „Nature” , że polimery należy odróżnić od innych rodzajów koloidów , mimo że mogą one wykazywać podobne zachowanie w zakresie grupowania i rozdzielania faz , co znalazło odzwierciedlenie w zmniejszonym używaniu terminu koloid do opisania koloidów wyższego rzędu zachowanie asocjacyjne biopolimerów we współczesnej biologii komórki i samoorganizacji molekularnej .

Ponownie omówiono separację faz

Postępy w mikroskopii konfokalnej pod koniec XX wieku pozwoliły zidentyfikować białka , RNA lub węglowodany zlokalizowane w wielu niezwiązanych z błoną kompartmentach komórkowych w cytoplazmie lub jądrze , które były różnie określane jako „punkty / kropki”, „ sygnalosomy ”, „ granulki ” , „ ciała ”, „ zespoły ”, „ paraspeckle ”, „purinosomy”, „ inkluzje ”, „ agregaty ” lub „ fabryki ”. W tym okresie (1995-2008) koncepcja separacji faz została ponownie zapożyczona z chemii koloidalnej i fizyki polimerów i zaproponowano, aby leżała u podstaw kompartmentalizacji zarówno cytoplazmatycznej , jak i jądrowej .

eksperymentach in vitro, zaobserwowano dalsze dowody na to, że biomakromolekuły przechodzą wewnątrzkomórkowe przemiany fazowe ( separacja faz ).

Nowo ukuty termin „ kondensat biomolekularny ” odnosi się do polimerów biologicznych (w przeciwieństwie do polimerów syntetycznych ), które ulegają samoorganizacji poprzez grupowanie w celu zwiększenia lokalnego stężenia łączących się składników i jest analogiczne do fizycznej definicji kondensacji .

W fizyce kondensacja zazwyczaj odnosi się do przejścia fazowego gaz-ciecz .

W biologii termin „kondensacja” jest używany znacznie szerzej i może również odnosić się do rozdzielania faz ciecz-ciecz w celu utworzenia emulsji koloidalnych lub ciekłych kryształów w komórkach oraz rozdzielania faz ciecz-ciało stałe w celu tworzenia żeli , zoli lub zawiesin w komórkach. jako przejścia fazowe z cieczy w ciało stałe, takie jak kondensacja DNA podczas profazy cyklu komórkowego lub kondensacja białek krystalin w zaćmie . Mając to na uwadze, celowo wprowadzono termin „kondensaty biomolekularne”, aby odzwierciedlić ten zakres (patrz poniżej). Ponieważ kondensacja biomolekularna na ogół obejmuje interakcje oligomeryczne lub polimerowe między nieokreśloną liczbą składników, ogólnie uważa się, że różni się od tworzenia mniejszych stechiometrycznych kompleksów białkowych o określonej liczbie podjednostek, takich jak kapsydy wirusowe lub proteasom - chociaż oba są przykładami spontanicznej samoistnej samoistności molekularnej -montaż lub samoorganizacja .

Mechanistycznie wydaje się, że krajobraz konformacyjny (w szczególności, czy jest wzbogacony w rozszerzone stany nieuporządkowane) i multiwalentne interakcje między wewnętrznie nieuporządkowanymi białkami (w tym krzyżową polimeryzacją beta) i / lub domenami białkowymi , które indukują oligomeryczne lub grupowanie polimerów, może odgrywać rolę w rozdzielaniu faz białek.

Przykłady

Dynamika granulek naprężeń

cytoplazmie i jądrze scharakteryzowano wiele przykładów kondensatów biomolekularnych, które, jak się uważa, powstają w wyniku rozdzielania faz ciecz-ciecz lub ciecz-ciało stałe.

Kondensaty cytoplazmatyczne

Kondensaty jądrowe

Powstawanie i przykłady ciał jądrowych .

Inne struktury jądrowe, w tym heterochromatyna , tworzą się za pomocą mechanizmów podobnych do rozdzielania faz, więc można je również sklasyfikować jako kondensaty biomolekularne.

Kondensaty związane z błoną plazmatyczną

Wydzielane kondensaty pozakomórkowe

Organelle zamknięte w lipidach i lipoproteiny nie są uważane za kondensaty

Typowych organelli lub endosomów otoczonych dwuwarstwą lipidową nie uważa się za kondensaty biomolekularne. Ponadto kropelki lipidów są otoczone monowarstwą lipidową w cytoplazmie, mleku lub łzach, więc wydają się należeć do kategorii „związane z błoną”. Wreszcie, wydzielane lipoprotein LDL i HDL są również otoczone monowarstwą lipidową. Tworzenie tych struktur obejmuje rozdzielanie faz na micele koloidalne lub dwuwarstwy ciekłokrystaliczne , ale nie są one klasyfikowane jako kondensaty biomolekularne, ponieważ termin ten jest zarezerwowany dla organelli niezwiązanych z błoną.

Separacja faz ciecz-ciecz (LLPS) w biologii

Podział biomolekularny

Ciekłe kondensaty biomolekularne

Separacja faz ciecz-ciecz (LLPS) generuje podtyp koloidu znany jako emulsja , która może łączyć się z dużych kropelek w cieczy. Uporządkowanie cząsteczek podczas rozdzielania faz ciecz-ciecz może generować raczej ciekłe kryształy niż emulsje . W komórkach LLPS wytwarza ciekłą podklasę kondensatu biomolekularnego, który może zachowywać się jak emulsja lub ciekły kryształ .

Termin kondensaty biomolekularne został wprowadzony w kontekście zespołów wewnątrzkomórkowych jako wygodny i niewyłączny termin opisujący niestechiometryczne zespoły biomolekuł. Wybór języka jest tu konkretny i ważny. Zaproponowano, że wiele kondensatów biomolekularnych tworzy się w wyniku rozdzielania faz ciecz-ciecz (LLPS) w celu utworzenia emulsji koloidalnych lub ciekłych kryształów w organizmach żywych, w przeciwieństwie do rozdzielania faz ciecz-ciało stałe w celu utworzenia kryształów / agregatów w żelach , zolach lub zawiesinach w komórkach lub wydzieliny pozakomórkowe. Jednak jednoznaczne wykazanie, że ciało komórkowe tworzy się w wyniku rozdziału faz ciecz-ciecz, jest trudne, ponieważ różne stany materiałowe (ciecz vs. żel vs. ciało stałe) nie zawsze są łatwe do rozróżnienia w żywych komórkach. Termin „kondensat biomolekularny” bezpośrednio odnosi się do tego wyzwania, nie przyjmując żadnych założeń dotyczących mechanizmu fizycznego, dzięki któremu osiąga się montaż, ani stanu materialnego powstałego zespołu. W konsekwencji ciała komórkowe, które powstają w wyniku rozdzielania faz ciecz-ciecz, są podzbiorem kondensatów biomolekularnych, podobnie jak te, w których fizyczne pochodzenie zespołu jest nieznane. Historycznie rzecz biorąc, wiele zidentyfikowanych mikroskopowo kompartmentów niezwiązanych z błoną komórkową należy do szerokiego parasola kondensatów biomolekularnych.

W fizyce rozdzielanie faz można podzielić na następujące typy koloidów , z których jednym z przykładów są kondensaty biomolekularne:

Średni/faza Faza rozproszona
Gaz Płyn Solidny
Środek dyspersyjny
Gaz
Nie są znane takie koloidy. Wiadomo, że hel i ksenon nie mieszają się w pewnych warunkach.
Aerozol w płynie Przykłady: mgła , chmury , kondensacja , mgła , lakiery do włosów
Stały aerozol Przykłady: dym , chmura lodowa , pył atmosferyczny
Płyn
Piana Przykład: bita śmietana , krem ​​do golenia , pęcherzyki gazu
Emulsja lub ciekłe kryształy Przykłady: mleko , majonez , krem ​​do rąk , lateks , błony biologiczne , micele , lipoproteiny , jedwab , płynne kondensaty biomolekularne
Zol lub zawiesina Przykłady: tusz pigmentowy , osad , osady , agregaty , włókna/fibryle/filamenty, kryształy , stałe kondensaty biomolekularne
Solidny
Pianka stała Przykłady: aerożel , styropian , pumeks
Żele Przykłady: agar , żelatyna , galaretka , żelowe kondensaty biomolekularne
Zol stały Przykład: szkło żurawinowe

W biologii najbardziej odpowiednie formy rozdziału faz to ciecz-ciecz lub ciecz-ciało stałe, chociaż istnieją doniesienia o pęcherzykach gazu otoczonych płaszczem białkowym z rozdziałem faz w cytoplazmie niektórych mikroorganizmów.

Sygnalizacja Wnt

Jednym z pierwszych odkrytych przykładów wysoce dynamicznego wewnątrzkomórkowego ciekłego kondensatu biomolekularnego o wyraźnej funkcji fizjologicznej były kompleksy supramolekularne ( sygnalosomy Wnt ) utworzone przez składniki szlaku sygnałowego Wnt . Białko Disheveled (Dsh lub Dvl) podlega grupowaniu w cytoplazmie poprzez swoją domenę DIX, która pośredniczy w grupowaniu białek (polimeryzacji) i rozdzielaniu faz, i jest ważna dla transdukcji sygnału. Białko Dsh działa zarówno w płaskiej polaryzacji, jak i sygnalizacji Wnt, gdzie rekrutuje inny kompleks supramolekularny (kompleks Axin) do receptorów Wnt w błonie plazmatycznej. Tworzenie się tych rozczochranych i zawierających aksynę kropelek jest zachowane we wszystkich metazoanach, w tym w Drosophila , Xenopus i ludzkich.

granulki P

Innym przykładem kropelek cieczy w komórkach są granulki P linii zarodkowej w Caenorhabditis elegans . Te granulki oddzielają się od cytoplazmy i tworzą kropelki, podobnie jak olej z wody. Zarówno granulki, jak i otaczająca je cytoplazma są płynne w tym sensie, że płyną w odpowiedzi na siły, a dwie z nich mogą się łączyć, gdy się zetkną. Kiedy (niektóre) cząsteczki w granulkach są badane (poprzez odzyskiwanie fluorescencji po fotowybielaniu ), okazuje się, że szybko obracają się w kropelkach, co oznacza, że ​​cząsteczki dyfundują do iz granulek, tak jak oczekiwano w kropelce cieczy . Kropelki mogą również urosnąć do wielu cząsteczek w poprzek (mikrometry) Badania kropel białka LAF-1 z Caenorhabditis elegans in vitro wykazują zachowanie podobne do cieczy, z lepkością S. To około dziesięć tysięcy razy więcej niż woda w temperaturze pokojowej, ale jest wystarczająco mała, aby krople LAF-1 mogły płynąć jak ciecz. Ogólnie rzecz biorąc, siła oddziaływania ( powinowactwo ) i wartościowość (liczba miejsc wiązania) biomolekuł rozdzielających fazy wpływają na lepkość ich kondensatów, jak również na ogólną tendencję do rozdzielania się faz.

Separacja faz ciecz-ciecz w chorobach ludzi

Coraz więcej dowodów sugeruje, że anomalie w tworzeniu się kondensatów biomolekularnych mogą prowadzić do szeregu patologii u ludzi, takich jak rak i choroby neurodegeneracyjne .

Syntetyczne kondensaty biomolekularne

Kondensaty biomolekularne można syntetyzować do wielu celów. Syntetyczne kondensaty biomolekularne są inspirowane endogennymi kondensatami biomolekularnymi, takimi jak jąderka , ciała P i granulki stresowe , które są niezbędne do prawidłowej organizacji i funkcji komórek .

Syntetyczne kondensaty są ważnym narzędziem w biologii syntetycznej i mają szeroki i rosnący zakres zastosowań. Zaprojektowane syntetyczne kondensaty pozwalają badać organizację komórkową i umożliwiają tworzenie nowych funkcjonalizowanych materiałów biologicznych, które mogą służyć jako dostarczania leków i środki terapeutyczne .

Projektowanie i kontrola

Pomimo dynamicznego charakteru i braku specyficzności wiązania , które rządzą tworzeniem kondensatów biomolekularnych, syntetyczne kondensaty nadal można modyfikować tak, aby wykazywały różne zachowania. Jednym z popularnych sposobów konceptualizacji interakcji kondensatu i pomocy w projektowaniu jest rama „naklejka-przekładka”. Multiwalentne miejsca interakcji lub „naklejki” są oddzielone „przekładkami”, które zapewniają konformacyjną i fizycznie oddzielają od siebie poszczególne moduły interakcji. Regiony białek zidentyfikowane jako „naklejki” zwykle składają się z regionów wewnętrznie nieuporządkowanych (IDR) , które działają jak „lepkie” biopolimery poprzez krótkie płaty oddziałujących reszt ułożonych wzdłuż ich nieustrukturyzowanego łańcucha, które wspólnie promują LLPS. Modyfikując strukturę naklejka-przerywnik, tj. sekwencje polipeptydu i RNA, a także skład ich mieszaniny, można dostosować właściwości materiałowe ( reżymy lepkości i elastyczności ) kondensatów w celu zaprojektowania nowych kondensatów.

Inne narzędzia poza dostrajaniem ramy naklejek-przekładek mogą być użyte do nadania nowej funkcjonalności i umożliwienia wysokiej czasowej i przestrzennej kontroli nad syntetycznymi kondensatami. Jednym ze sposobów uzyskania czasowej kontroli nad tworzeniem się i rozpuszczaniem kondensatów biomolekularnych jest użycie narzędzi optogenetycznych . Opracowano kilka różnych systemów, które umożliwiają kontrolę tworzenia się i rozpuszczania kondensatu, które opierają się na ekspresji białka chimerycznego oraz aktywacji światła lub małych cząsteczek. W jednym systemie białka ulegają ekspresji w komórce , która zawiera aktywowane światłem domeny oligomeryzacji połączone z IDR. Po napromieniowaniu światłem o określonej długości fali domeny oligomeryzacji wiążą się ze sobą i tworzą „rdzeń”, który również zbliża do siebie wiele IDR, ponieważ są one połączone z domenami oligomeryzacji. Rekrutacja wielu IDR skutecznie tworzy nowy biopolimer o zwiększonej wartościowości . Ta zwiększona wartościowość pozwala IDR na tworzenie wielowartościowych interakcji i wyzwalanie LLPS . Kiedy światło aktywacyjne zostaje zatrzymane, domeny oligomeryzacji rozpadają się, powodując rozpuszczenie kondensatu. Podobny system osiąga tę samą czasową kontrolę tworzenia się kondensatu za pomocą światłoczułych dimeryzatorów „w klatkach” . W tym przypadku aktywacja światłem usuwa klatkę dimeryzatora, umożliwiając jej rekrutację IDR do wielowartościowych rdzeni, co następnie wyzwala separację faz. Aktywacja światłem o innej długości fali powoduje rozszczepienie dimeryzatora, który następnie uwalnia IDR z rdzenia iw konsekwencji rozpuszcza kondensat. do działania znacznie zmniejszonych ilości światła laserowego , co jest korzystne, ponieważ światło o dużym natężeniu może być toksyczne dla komórek.

optogenetyczne można również modyfikować, aby uzyskać przestrzenną kontrolę nad tworzeniem się kondensatów. W tym celu opracowano wiele podejść. W jednym podejściu, które lokalizuje kondensaty w określonych regionach genomowych , białka rdzeniowe są łączone z białkami, takimi jak TRF1 lub katalitycznie martwy Cas9 , które wiążą określone loci genomowe. Kiedy oligomeryzacja jest wyzwalana przez aktywację światłem, rozdzielanie faz jest preferencyjnie indukowane w określonym regionie genomowym, który jest rozpoznawany przez białko fuzyjne. Ponieważ kondensaty o tym samym składzie mogą wchodzić w interakcje i łączyć się ze sobą, jeśli są przywiązane do określonych regionów genomu , kondensaty można wykorzystać do zmiany organizacji przestrzennej genomu, co może mieć wpływ na ekspresję genów.

Jako reaktory biochemiczne

Kondensaty syntetyczne umożliwiają badanie funkcji i organizacji komórek z dużą kontrolą przestrzenną i czasową, ale można je również wykorzystać do modyfikacji lub dodania funkcjonalności do komórki . Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest modyfikacja kondensatu w celu włączenia miejsc wiązania dla innych białek będących przedmiotem zainteresowania, dzięki czemu kondensat może służyć jako rusztowanie do uwalniania lub rekrutacji białek. Te miejsca wiązania można zmodyfikować, aby były wrażliwe na aktywację światłem lub dodanie małych cząsteczek, dając w ten sposób czasową kontrolę nad rekrutacją określonego białka będącego przedmiotem zainteresowania. Rekrutując określone białka do kondensatów, reagenty można zatężyć w celu zwiększenia szybkości reakcji lub sekwestrować w celu zahamowania reaktywności. Oprócz rekrutacji białek można również zaprojektować kondensaty, które uwalniają białka w odpowiedzi na określone bodźce. W tym przypadku białko będące przedmiotem zainteresowania można połączyć z białkiem rusztowania za pomocą fotoprzecinalnego łącznika. Po napromieniowaniu łącznik zostaje zerwany, a białko jest uwalniane z kondensatu. Korzystając z tych zasad projektowania, białka mogą być uwalniane do ich naturalnego środowiska lub sekwestrowane z niego, dzięki czemu kondensaty mogą służyć jako narzędzie do zmiany aktywności biochemicznej określonych białek przy wysokim poziomie kontroli.

Metody badania kondensatów

Opracowano szereg metod eksperymentalnych i obliczeniowych w celu zbadania właściwości fizykochemicznych i leżących u podstaw interakcji molekularnych kondensatów biomolekularnych. Podejścia eksperymentalne obejmują testy rozdziału faz przy użyciu w jasnym polu lub mikroskopii fluorescencyjnej , a także odzyskiwanie fluorescencji po fotowybielaniu (FRAP). Podejścia obliczeniowe obejmują gruboziarniste symulacje dynamiki molekularnej i topologii obwodów .

Dalsza lektura

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biomolecular_condensate&oldid=1137365096 ”