삶의 화학에서 새로운 세포 질서의 원천

세계의 모든 사람들을 유타의 그레이트 솔트 레이크 (Great Salt Lake)에 포장하는 것을 상상해보십시오. 우리 모두는 어깨에서 어깨를 뚫고 걸렸지 만 미친 듯이 높은 속도로 서로를 충전하는 것도 상상해보십시오. 영국의 세포 생물 학자이자 Dresden의 Max Planck 세포 생물학 및 유전학 연구소의 이사 인 Anthony Hyman은 전형적인 세포의 50 억 단백질이 얼마나 밀도로 혼잡한지에 대한 아이디어를 제공한다고 말했다.

어쨌든 그 번잡 한 세포질에서 효소는 기질을 찾아야하며 신호 전달 분자는 수용체를 찾아야하므로 세포는 성장, 분열 및 생존의 작업을 수행 할 수 있습니다. 세포가 균일하게 혼합 된 세포질의 백을 슬로 싱하는 경우, 이는 달성하기 어려울 것이다. 그러나 그들은 그렇지 않습니다. 막 바운드 소기관은 일부 내용물을 구성하고, 재료 세트를 유용하게 구획화하고, ATP의 생산, 세포의 생화학 적 연료와 같은 중요한 과정을 가능하게하는 표면을 제공하는 데 도움이됩니다. 그러나 과학자들은 여전히 ​​단지 감사하기 시작 했으므로 질서의 원천 일뿐입니다.

최근의 실험은 일부 단백질이 세포 내부의 액 적의 형성과 용해 사이의 전이 사이의 전이 균형을 정확하게 균형을 이루는 분자력에 반응하여 응축수라는 일시적인 어셈블리로 자발적으로 모이는 것으로 밝혀졌다. 때때로 막이없는 소기관으로 지칭되는 응축수는 나머지 세포질로부터 특정 단백질을 격리시켜 원치 않는 생화학 적 반응을 방지하고 유용한 것의 효율을 크게 증가시킬 수 있습니다. 이러한 발견은 세포의 작동 방식에 대한 근본적인 이해를 바꾸고 있습니다.

예를 들어, 응축수는 많은 세포 과정의 속도를 설명 할 수 있습니다. “응축수에 대한 핵심 사항 - 공장과는 다릅니다. 플래시 몹과 비슷합니다. 당신은 라디오를 켜고 모든 사람들이 함께 모여서 끄고 모두가 사라집니다.”Hyman은 말했습니다.

따라서이 메커니즘은“절묘하게 조절 가능하다”고 캘리포니아 대학교, 버클리 및 로렌스 버클리 국립 연구소의 세포 생물학자인 게리 카 펜 (Gary Karpen)은 말했다. “분자의 농도를 변화시킴으로써 이런 것들을 형성하고 쉽게 용해시킬 수 있습니다.”또는 단백질을 화학적으로 변형시킵니다. 이 정밀도는 유전자 발현을 포함하여 다른 많은 현상을 제어하기위한 레버리지를 제공합니다.

이 메커니즘의 첫 번째 힌트는 2008 년 여름에 하이만과 그의 당시의 공문 동료 인 Cliff Brangwynne (현재 Princeton University의 Howard Hughes Medical Institute 조사관)이 유명한 해양 생물학적 실험실 생리학 과정에서 가르치고 c의 배아 발달을 연구하고 있었던 2008 년 여름에 도착했습니다. 엘레 간스 회충. 그들과 그들의 학생들은 수정 된 벌레 계란에서 RNA의 응집체가 서로 분리되거나 융합 될 수있는 액 적을 형성했을 때, Hyman과 Brangwynne은 이러한“p granules”가 세포질에서 위상 분리를 통해 형성되었다고 가정했다.

이 제안은 2009 년 과학 에 출판되었습니다 당시에는 많은 관심을받지 못했습니다. 그러나 달라스에있는 텍사스 남서부 의료 센터 (University of Texas Southwestern Medical Center)의 Michael Rosen 실험실의 주요 실험을 포함하여 2012 년경 세포의 상 분리에 관한 더 많은 논문이 이루어졌으며, 이는 세포 신호 단백질 이이 상 분리 거동을 나타낼 수 있음을 보여 주었다. 2015 년까지 종이의 흐름은 급류로 바뀌었고, 그 이후로 생체 분자 응축수에 대한 진정한 연구가 있었으며, 이들 액체 유사 세포 구획은 탄성 및 점성 특성을 모두 갖는다.

이제 세포 생물 학자들은 유전자 발현의 조절, 유사 분열 스핀들의 형성, 리보솜의 조립 및 핵 및 세포질에서 더 많은 세포 과정의 형성에서 그들이 보는 곳마다 응축수를 찾는 것으로 보인다. 이러한 응축수는 참신한 것이 아니라 생각을 자극하는 것입니다. 그들의 기능이 분자의 집단적 행동에서 나온다는 생각은 응축수 생물학의 중심 개념이되었으며, 생화학 적 제제의 고전적인 그림과 자물쇠와 키와 같은 대상의 고전적인 그림과 크게 대조됩니다. 연구자들은 여전히 ​​이러한 긴급한 특성의 기능을 조사하는 방법을 알아 내고 있습니다. 이를 위해서는 세포에서 작은 액 적의 점도 및 기타 특성을 측정하고 조작하기 위해 새로운 기술의 개발이 필요합니다.

액적 형성을 운전하는 것은

생물 학자들이 살아있는 세포에서 축합의 위상 분리 현상을 유발하는 것을 설명하려고 할 때, 단백질 자체의 구조는 자연적인 장소를 제공했습니다. 잘 폴드 단백질은 전형적으로 친수성 및 소수성 아미노산의 혼합을 갖는다. 소수성 아미노산은 물 분자에서 멀리 떨어진 단백질 주름 내부에 묻는 경향이 있으며, 친수성 아미노산은 표면으로 끌려갑니다. 이 소수성 및 친수성 아미노산은 단백질이 어떻게 접 히고 모양을 유지하는지 결정합니다.

그러나 일부 단백질 사슬은 소수성 아미노산이 상대적으로 적으므로 접을 이유가 없습니다. 대신, 이러한 본질적으로 무질서한 단백질 (IDP)은 형태로 변동하여 많은 약한 다중 상호 작용에 관여합니다. IDP 상호 작용은 수년 동안 유체와 같은 액적 거동에 대한 최상의 설명으로 생각되었습니다.

그러나 작년에 Brangwynne은 IDP가 중요하다는 것을 강조하는 몇 가지 논문을 발표했지만“이 분야는 그들을 강조하는 데 너무 멀었습니다.” 그는 응축수에 관련된 대부분의 단백질은 일부 구조화 된 도메인과 일부 무질서한 영역을 가진 일반적인 구조를 가지고 있다고 그는 말했다. 응축수를 종자하기 위해 분자는 다른 사람들과의 다중 상호 작용이 약해져야하며, 올리고머 화.

올리고머 화는 단백질이 서로 결합하고 올리고머라고하는 반복 단위로 더 큰 복합체를 형성 할 때 발생합니다. 단백질의 농도가 증가함에 따라 상 분리 및 올리고머 형성도 증가합니다. Brangwynne은 12 월 미국 세포 생물학 협회 회의에서 열린 연설에서 올리고머의 농도가 증가함에 따라 상호 작용의 강도는 결국 핵 생성 장벽을 극복하고, 다른 세포질의 나머지 부분과 응축수를 분리하는 표면을 생성하는 데 필요한 에너지를 극복했음을 보여 주었다. 그 시점에서 단백질은 액적 내에 자신을 함유하고 있습니다.

지난 5 년 동안, 연구원들은 단백질의 이러한 집단적 행동이 작은 물리적 및 화학력에서 어떻게 발생하는지 이해하는 데 큰 진전을 이루었습니다. 그러나 그들은 여전히 ​​세포가 실제로이 현상을 사용하여 성장하고 나누는 방법을 배우고 있습니다.

응축수 및 유전자 발현

응축수는 세포 생물학의 여러 측면에 관여하는 것처럼 보이지만, 특히주의를 기울인 영역 중 하나는 유전자 발현과 단백질의 생성입니다.

리보솜은 세포의 단백질 제작 공장이며, 세포의 수는 종종 성장률을 제한합니다. Brangwynne과 다른 사람들의 작업은 빠르게 성장하는 세포가 핵에서 가장 큰 응축수 인 핵체로부터 도움을 줄 수 있다고 제안합니다. 핵종은 이들을 만드는 특정 효소 (RNA 폴리머 라제 I)를 포함하여 필요한 모든 전사 기계를 수집함으로써 리보솜 RNA의 빠른 전사를 용이하게한다.

몇 년 전, 현재 몬트리올의 맥길 대학교 조교수 인 Brangwynne과 그의 Postdoc Stephanie Weber는 핵의 크기 (따라서 리보솜 RNA 합성의 속도)가 초기 c에서 어떻게 제어되는지 조사했습니다. 엘레 간스 배아. 어머니 벌레는 모든 배아에 동일한 수의 단백질을 기여하기 때문에 작은 배아는 높은 농도의 단백질을 가지며 큰 배아는 농도가 낮습니다. 연구원들이 2015 년 현재 생물학에서보고 한 바와 같이 종이, 핵종의 크기는 농도 의존적입니다. 작은 세포는 큰 핵체가 있고 큰 세포는 작은 세포를 가지고 있습니다.

Brangwynne과 Weber는 인위적으로 변화함으로써 세포 크기가 변화함으로써 단백질 농도와 생성 된 핵의 크기를 높이고 낮출 수 있음을 발견했습니다. 실제로, 그들이 임계 임계 값 미만의 농도를 낮추면 위상 분리가없고 핵체가 없었습니다. 연구자들은 세포에서 핵의 크기를 정확하게 예측할 수있는 응축수 형성의 물리학에 기초하여 수학적 모델을 도출했다.

이제 Weber는 세포가 작은 세포를 갖고 막 바운드 구획이없는 박테리아의 응축수를 찾고 있습니다. "이것은 [박테리아]가 대안이 없기 때문에 구획화를위한 더 중요한 메커니즘 일 것입니다."

지난 여름 웨버는 느리게 성장하는 세포에서 연구를 발표했다. coli 박테리아, RNA 폴리머 라제 효소는 균일하게 분포되지만, 빠르게 성장하는 세포에서는 방울에 클러스터가 있습니다. 빠르게 성장하는 세포는 리보솜 RNA를 효율적으로 합성하기 위해 리보솜 유전자 주위의 중합 효소를 농축해야 할 수 있습니다.

Weber는“[위상 분리]는 삶의 모든 영역에있는 것처럼 보이며, 보편적 인 메커니즘은 다양한 기능으로 전문화 될 수있었습니다.

Weber와 Brangwynne은 활성 전사가 하나의 큰 응축수에서 발생한다는 것을 보여 주었지만, 핵, 핵의 다른 응축수는 그 반대에 해당한다는 것을 보여 주었다. 핵 내 DNA의 많은 부분은 이종 이하로 분류되어 더 작고 일반적으로 단백질로 발현되지 않기 때문입니다. 2017 년, Karpen, Amy Strom (현재 Brangwynne의 실험실에서 박사후 업체)과 동료들은 특정 단백질이 상 분리를 거쳐 Drosophila drosophila 의 헤테로 크로 마틴에서 물방울을 형성 할 것임을 보여주었습니다. 배아. 이 액 적은 서로 융합 될 수 있으며, 핵 내부에 헤테로 크로 마틴을 압축하는 메커니즘을 제공 할 수 있습니다.

결과는 또한 오랜 미스터리에 대한 흥미로운 가능한 설명을 제안했습니다. 몇 년 전, 유전 학자들은 그들이 적극적으로 발현 된 유전자를 가져 와서 헤테로 크로 마틴 바로 옆에 놓으면 유전자가 마치 헤테로 크로 마틴 상태가 퍼지는 것처럼 침묵 될 것임을 발견했다. Karpen은“이 확산 현상은 일찍 일어난 일이었고 아무도 그것을 이해하지 못했습니다.

나중에, 연구자들은 메틸 트랜스퍼 라제 (methyltransferases)라는 후성 유전 적 조절에 관여하는 효소를 발견했으며, 메틸 트랜스퍼 라제는 단순히 이종 트랜스퍼 라제가 하나의 히스톤에서 이종 에로 크로 마틴에서 인접한 유크로 마틴으로 DNA 가닥으로 진행될 것이라는 가설을 세웠다. 이것은 지난 20 년 동안 확산 현상을 설명하는 지배적 인 모델이었습니다. 그러나 Karpen은 끈에 젖은 구슬처럼 헤테로 크로 마틴에 앉아있는 응축수는 침묵의 이종 크로 마틴 상태의 확산을 설명하는 다른 메커니즘의 산물 일 수 있다고 생각합니다. "이것은 생물학의 작동 방식에 대해 근본적으로 다른 방법입니다." 그는 이제 가설을 테스트하기 위해 노력하고 있습니다.

필라멘트의 형성

응축수는 또한 핵 내부가 아니라 세포막을 따라 다른 세포 미스터리를 해결하는 데 도움이되었습니다. 리간드가 세포 표면의 수용체 단백질에 결합하면 세포질을 통해 신호를 전달하는 일련의 분자 변화와 움직임을 시작합니다. 그러나 그 일이 일어나려면 먼저 무언가가 메커니즘에있는 모든 분산 된 플레이어를 모아야합니다. 연구원들은 이제 위상 분리가 막 수용체에서 필요한 신호 전달 분자를 클러스터하는 데 사용되는 트릭 세포라고 생각한다고 Rosen Lab에서 교육을받은 Lindsay Case는 이번 달 Massachusetts Institute of Technology에서 자신의 실험실을 시작하고 있다고 설명합니다.

사례는 포스 포 릴 그룹의 첨가와 같은 신호 변환에 일반적으로 사용되는 단백질 변형은 단백질의 원자가, 즉 다른 분자와 상호 작용하는 능력을 변화 시킨다고 지적했다. 따라서 변형은 또한 단백질의 성향에 영향을 미쳐 응축수를 형성합니다. Case는“셀이 무엇을하고 있는지 생각하면 실제로이 원자가 매개 변수를 조절하고 있습니다.

응축수는 또한 작은 단량체 서브 유닛의 긴 단백질 필라멘트로의 중합을 조절하고 구성하는데 중요한 역할을 할 수있다. Case는“응축수 이외의 것보다 더 오랜 시간 동안 분자를 모으기 때문에 중합을 선호합니다. 그녀의 박사후 연구에서, 그녀는 응축수가 액틴의 중합을 필라멘트로 향상시켜 특수 신장 세포가 특이한 형태를 유지하는 데 도움이된다는 것을 발견했습니다.

튜 불린의 중합은 세포를 분열시키는 데 도움이되는 유사 분열 스핀들의 형성의 핵심이다. Hyman은 1980 년대 케임브리지 대학의 분자 생물학 실험실에서 대학원 연구에서 유사 분열 스핀들의 형성에 관심을 갖게되었습니다. 그곳에서 그는 단일 세포 c. 엘레 간스 배아는 두 세포로 분할하기 전에 유사 분열 스핀들을 형성합니다. 이제 그는이 과정에서 응축수의 역할을 탐구하고 있습니다.

한 번의 시험 관내 실험에서, 하이 먼과 그의 팀은 미세 소관-결합 타우 단백질의 액 적을 만들고 튜 불린을 첨가하여 타우 방울로 이동한다. 중합을 시뮬레이션하기 위해 방울에 뉴클레오티드를 첨가했을 때, 튜 불린 단량체는 아름다운 미세 소관으로 조립되었다. Hyman과 그의 동료들은 상 분리가 세포가 미세 소관의 중합 및 유사 분열 스핀들의 형성을 시작하는 일반적인 방법이 될 수 있다고 제안했다.

타우 단백질은 또한 알츠하이머 병의 특징 인 단백질 응집체를 형성하는 것으로 알려져있다. 실제로, 근 위축성 측면 경화증 (ALS) 및 파킨슨 병과 같은 많은 신경 퇴행성 조건은 세포에서 단백질 응집체의 결함이있는 형성을 포함한다.

이러한 응집체가 어떻게 형성 될 수 있는지 조사하기 위해 Hyman의 팀은 ALS와 관련된 돌연변이 형태를 갖는 FUS라는 단백질에 중점을 두었습니다. FUS 단백질은 일반적으로 핵에서 발견되지만 스트레스가 많은 세포에서 단백질은 핵을 떠나 세포질로 들어가서 액 적으로 형성됩니다. Hyman의 팀은 시험 관내에서 돌연변이 된 FUS 단백질의 액 적을 만들었을 때 약 8 시간 만에 액 적을 자신이“끔찍한 응집체”라고 불렀다는 것을 발견했습니다. 돌연변이 단백질은 정상적인 형태의 FU보다 훨씬 빠른 액체-고고 상 전이를 이끌었습니다.

어쩌면 문제는 질병에서 골재가 형성되는 이유가 아니라 건강한 세포에서 형성되지 않는 이유 일 수 있습니다. "그룹 회의에서 자주 요구하는 것 중 하나는 다음과 같습니다. 왜 세포가 스크램블 에그가 아닌가?" 하이 먼은 셀 생물학 회의에서 연설에서 말했다. 세포질의 단백질 함량은“너무 집중되어 용액에서 충돌해야합니다.”

Hyman의 실험실의 연구원들이 세포 연료 ATP를 정제 된 스트레스 과립 단백질의 응축수에 추가하고 응축수가 사라지는 것을 보았을 때 단서가 나왔습니다. 더 조사하기 위해, 연구자들은 달걀 흰자위를 시험관에 넣고 ATP에 한 튜브에 ATP를 추가하고 다른 튜브에 소금을 추가 한 다음 가열했습니다. 소금의 난 흰자는 응집 된 반면, ATP를 가진 것들은 다음과 같지 않았다 :ATP는 살아있는 세포에서 발견되는 농도에서 단백질 응집을 방지했다.

하지만 어떻게? 하이만이 방갈로르에서 세미나를 발표 할 때 화학자를 우연히 만나기 전까지는 퍼즐로 남아있었습니다. 화학자는 산업 공정에서 히드로 트로프라는 첨가제가 소수성 분자의 용해도를 증가시키는 데 사용된다고 지적했다. Hyman과 그의 동료들은 그의 실험실로 돌아와서 ATP가 히드로 트로프로서 예외적으로 잘 작동한다는 것을 발견했습니다.

흥미롭게도, ATP는 세포에서 매우 풍부한 대사 산물이며, 전형적인 농도는 3-5 밀리몰입니다. ATP를 사용하는 대부분의 효소는 3 배 낮은 농도로 효율적으로 작동합니다. 그렇다면 대사 반응을 주도 할 필요가 없다면 왜 ATP가 세포 내부에 집중되어 있습니까?

Hyman은 ATP가 3-5 밀리 몰 미만의 하이드로 트로프 역할을하지 않는다고 제안한 후보자는 한 가지 후보에 대한 설명은 말했다. "생명의 기원에서 ATP는 생체 분자를 고농도로 용해성을 유지하고 나중에 에너지로 선택된 생물학적 히드로 트로프로 진화했을 수 있습니다."

Hyman은 가설을 실험적으로 테스트하기가 어렵다고 Hyman은 에너지 기능에도 영향을 미치지 않으면 서 ATP의 수경성 특성을 조작하기가 어렵 기 때문에 인정합니다. 그러나 아이디어가 정확하다면 ATP 생산이 나이가 들어감에 따라 덜 효율적이기 때문에 노화와 관련된 질병에서 단백질 응집체가 일반적으로 형성되는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

액 적의 다른 용도

단백질 응집체는 신경 퇴행성 질환에서 분명히 나쁘다. 그러나 다른 상황에서는 액체에서 고체상으로의 전환이 적응할 수 있습니다.

난자로 성숙하기 전에 수십 년 동안 휴면 할 수있는 난소의 세포 인 원시 난 난 난 난 난 난 난 난자를 섭취하십시오. 이들 각 세포는 거미에서 인간에 이르는 유기체의 난 모세포에서 발견되는 아밀로이드 단백질의 큰 응축수 인 Balbiani 신체를 가지고있다. Balbiani 신체는 긴 아밀로이드 단백질 섬유와 함께 미토콘드리아의 대부분을 클러스터링하여 난 모세포의 휴면 단계 동안 미토콘드리아를 보호하는 것으로 여겨집니다. 난 모세포가 난자로 성숙하기 시작하면, 아밀로이드 섬유가 용해되고 발비아니 몸이 사라진다고 바르셀로나의 게놈 조절 센터의 세포이자 발달 생물학 자 엘반 보케 (Elvan Böke)는 설명합니다. Böke는 이러한 아밀로이드 섬유가 어떻게 조립되고 용해되는 지 이해하기 위해 노력하고 있으며, 이는 불임 또는 신경 퇴행성 질환을 치료하기위한 새로운 전략으로 이어질 수 있습니다.

단백질 응집체는 또한 부상 후 출혈을 멈추는 것과 같은 매우 빠른 생리적 반응이 필요한 문제를 해결할 수 있습니다. 예를 들어, mucor circinelloides 영양소가 흐르는 뿌리와 유사한 균사의 상호 연결되고 가압 된 네트워크가있는 곰팡이 종입니다. 진화 세포 생물 학자 Greg Jedd가 이끄는 Temasek Life Sciences Laboratory의 연구원들은 최근에 그들이 mucor의 일각을 다쳤을 때 하이파, 원형질은 처음에 뿌려졌지만 거의 즉시 출혈을 막는 젤라틴 플러그를 형성했습니다.