Eine reichhaltige molekulare Sprache steuert die Bildung winziger Flüssigkeitströpfchen in Zellen

Der Blick in eine biologische Zelle offenbart eine geschäftige mikroskopische Welt. Die Arbeitspferde in diesem Bereich sind spezialisierte Strukturen, sogenannte Organellen, die lebenswichtige Zellfunktionen ausführen. Seltsamerweise widersprechen einige Organellen allen gängigen Konventionen: Anstatt von einer Schutzmembran umgeben zu sein, sind sie ohne Membran und haben die Form isolierter Flüssigkeitströpfchen. Die Regeln, die die Bildung dieser Tröpfchen regeln, ein Prozess namens „Flüssig-Flüssig-Phasentrennung“, sind ein neues und heiß erforschtes Forschungsgebiet.

Ein Team von Wissenschaftlern von Texas A&M Engineering, der University of Delaware und der Rutgers University hat herausgefunden, dass Aminosäuren (Reste), aus denen die Proteine ​​in Tröpfchen bestehen, auf viel mehr Arten interagieren, als derzeit angenommen wird. Sie zeigen, dass diese Wechselwirkungen den Proteinaufbau und schließlich die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung in Tröpfchen erleichtern.

Die Forscher haben veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Naturchemie.

Ihre Arbeit ist ein Schritt zur Erweiterung des Verständnisses der Zellbiologie, zur Entwicklung von Behandlungen für Krankheiten, an denen pathologische Proteinaggregate beteiligt sind, wie Alzheimer und Parkinson, und zur Entwicklung neuartiger biotechnologisch hergestellter weicher Materialien.

Die jüngste Entdeckung von Flüssigkeitströpfchen in lebenden Zellen wurde erstmals in den Keimzellen eines im Boden lebenden Wurms, Caenorhabditis elegans (C. elegans), gemacht. Im Embryo des Wurms erfüllen membranlose Strukturen, sogenannte P-Granula, wesentliche Fortpflanzungsfunktionen. Bei weiteren Untersuchungen stellten die Forscher fest, dass die P-Granulatkörner keine Membranen hatten und tropfen, sich verbinden oder sich auflösen konnten und Eigenschaften wie Flüssigkeiten aufwiesen. Darüber hinaus könnten diese P-Granula ihre Integrität innerhalb des geleeartigen Zytoplasmas bewahren, ähnlich wie Öltröpfchen in Wasser.

„Im Jahr 2009 gab es einen grundlegenden Wandel im Denken über die zelluläre Kompartimentierung im Hinblick auf die Entstehung tröpfchenartiger Strukturen“, sagte Dr. Jeetain Mittal, Professor am Artie McFerrin Department of Chemical Engineering und leitender Autor. „Die meisten Biologen begannen zu akzeptieren, dass Phasentrennung nicht die Ausnahme, sondern die Regel ist, mit der biologische Zellen andere funktionelle Einheiten als membrangebundene Organellen kompartimentieren.“

Aber wie können sich nur bestimmte Proteine, die sich neben Millionen anderer im Zytoplasma bewegen, zu funktionellen Tröpfchen zusammenfügen? Es gibt Hinweise darauf, dass intrinsisch ungeordnete Proteine ​​oder Proteine, denen eine geordnete dreidimensionale Struktur fehlt, bei der Phasentrennung von entscheidender Bedeutung sein können. Die Wechselwirkungen zwischen ungeordneten Proteinen, die die Phasentrennung steuern, müssen jedoch noch vollständig aufgeklärt werden.

„Wir haben immer noch keine klare Vorstellung davon, welche Aminosäuren in den ungeordneten Regionen die treibende Kraft für die Phasentrennung darstellen“, sagte Shiv Rekhi, ein Doktorand in Mittals Labor und Hauptautor. „Wir wollten über etablierte Regeln hinausgehen, dennoch die Phasentrennung zeigen und dann quantifizieren, wie jede Aminosäure zum Prozess beigetragen hat.“

Für ihre Forschung verwendete das Team ein synthetisches ungeordnetes Protein mit Aminosäuresequenzen, die an natürlich vorkommende Proteine ​​erinnern. Anschließend erstellten die Forscher Proteinvarianten, indem sie eine bestimmte Art von Aminosäure entfernten oder hinzufügten, und bewerteten, ob weiterhin eine Kondensation zu Tröpfchen auftrat. Gemeinsam mit ihren Kollegen führten sie Mikroskopie- und Trübungsexperimente durch, um die physikalische Beschaffenheit des mit Proteinen angereicherten Tröpfchens zu bewerten. Schließlich untersuchte Rekhi mithilfe groß angelegter Simulationen, wie die atomaren Wechselwirkungen zwischen den Aminosäuren innerhalb der Proteinsequenz zur experimentell beobachteten Bildung von Flüssigkeitströpfchen führten.

„Eine vorherrschende Ansicht ist, dass Tyrosin und/oder Arginin für die Phasentrennung erforderlich sind. Wir haben das direkt getestet, indem wir Proteinvarianten hergestellt haben, bei denen wir diese Rückstände entfernt haben, und wir haben immer noch eine Phasentrennung erhalten“, sagte Rekhi. „Dieses und viele andere derartige Experimente haben uns gezeigt, dass eine Phasentrennung ohne viele Rückstände erfolgen kann, die die Leute für notwendig halten.“

Die Forscher fanden heraus, dass alle bis auf eine der zwölf Proteinvarianten eine Phasentrennung aufwiesen, was das Vorhandensein mehrerer Wechselwirkungen zwischen den Aminosäureresten unterstreicht, aus denen das ungeordnete Protein besteht.

„Eine Zeit lang ging man auf diesem Gebiet davon aus, dass ein begrenztes Regelwerk die Tröpfchenbildung beschreiben kann. Wir haben gezeigt, dass alles in der Proteinsequenz wichtig ist“, sagte Mittal. „Unsere Arbeit zeigt, dass die molekulare Sprache der Phasentrennung viel reichhaltiger und komplexer ist.“

Weitere Mitwirkende an der Forschung sind Cristobal Garcia Garcia und Dr. Kristi L. Kiick von der University of Delaware; Mayur Barai und Dr. Benjamin Schuster von Rutgers, der State University of New Jersey.