Gli scienziati dello Scripps Research Institute (TSRI) hanno risolto un mistero cellulare che potrebbe avere importanti implicazioni per la biologia fondamentale e malattie come la SLA. La loro nuova ricerca suggerisce che l'RNA potrebbe essere l'ingrediente segreto che aiuta le cellule ad assemblarsi, organizzare l'architettura interna, e infine dissolvere compartimenti dinamici simili a gocce.

Queste strutture simili a goccioline sono comunemente note come organelli senza membrana, e sono fondamentali per il modo in cui le cellule compartimentano la loro biochimica e regolano processi come l'espressione genica e la risposta allo stress.

Per 200 anni, gli scienziati hanno saputo dell'esistenza di organelli privi di membrana nelle cellule e si sono chiesti come vengono regolati. Studi recenti hanno suggerito che l'aumento della frazione di RNA può portare alla formazione di goccioline di proteina-RNA mediante un processo chiamato separazione di fase liquido-liquido.

"È fondamentalmente lo stesso tipo di fenomeno di immiscibilità che spinge l'olio a formare goccioline nell'acqua, " ha affermato il Professore Associato TSRI Ashok Deniz, che ha co-diretto lo studio pubblicato di recente sulla rivista Angewandte Chemie come un documento molto importante (VIP). "Mentre diverse forze biomolecolari deboli provocano collettivamente la formazione di goccioline di proteina-RNA, ci siamo concentrati su un tipo particolare in questo studio:interazioni elettrostatiche guidate da biomolecole di carica opposta. Un'importante scoperta è stata che un ulteriore aumento della concentrazione di RNA può dissolvere queste goccioline, riportando una fase liquida omogenea."

La velocità con cui queste goccioline si formano e si dissolvono può essere la chiave per la sopravvivenza cellulare. "Le goccioline possono formarsi e dissolversi quando sono necessarie, che consente alle cellule di adattarsi molto rapidamente allo stress cellulare, " ha affermato l'associata di ricerca Priya Banerjee, che ha co-diretto lo studio ed è stato co-primo autore con gli studenti laureati Anthony N. Milin e Mahdi Muhammad Moosa di TSRI.

Il nuovo studio suggerisce che la carica negativa delle molecole di RNA è una chiave sia per creare che per dissolvere le goccioline. "L'RNA è come un doppio agente, " ha detto Banerjee.

Come si formano e scompaiono le goccioline

L'RNA ha una carica negativa complessiva. Quando inizialmente viene a contatto con proteine ​​caricate positivamente, le molecole di carica opposta si attraggono. Insieme, creano un assemblaggio molecolare e formano goccioline liquide. Queste goccioline consentono alle cellule di svolgere importanti funzioni.

I ricercatori hanno anche scoperto che le goccioline si dissolvono rapidamente quando si aumenta l'RNA nel sistema.

"L'aggiunta di più RNA a questo sistema interrompe il sottile equilibrio tra cariche negative e positive, portando alla formazione di insiemi caricati negativamente che ora si respingono a vicenda, sciogliendo così la gocciolina, " ha detto il coautore dello studio Paulo L. Onuchic, uno studente laureato nel Deniz Lab.

Questa scoperta unica fa luce su un percorso normativo inaspettato. La ricerca sfida anche la precedente concezione secondo cui le forze biomolecolari che creano le goccioline dovrebbero essere invertite per dissolverle. Invece di invertire il processo, attraverso la rimozione dell'RNA o la modifica post-traduzionale della proteina per distruggere la sua carica positiva, i ricercatori hanno scoperto che il sistema può semplicemente aggiungere più RNA per dissolvere una gocciolina.

"Il comportamento simile a una finestra della formazione di goccioline in funzione della concentrazione di RNA osservato qui mostra un percorso unidirezionale che può essere sfruttato dalle cellule utilizzando processi come la trascrizione, " ha detto Banerjee.

In ulteriori esperimenti, il team ha dimostrato che la sintesi dell'RNA da parte di macchinari cellulari forma e dissolve effettivamente queste goccioline.

Creazione di goccioline "vuote"

Il fatto che l'RNA possa dissolvere le goccioline ha dato ai ricercatori un'opportunità unica di controllare l'aggiunta di RNA e osservare il processo di dissoluzione. "Con nostra sorpresa, invece di un semplice processo di dissoluzione delle gocce, abbiamo osservato sfere cave formarsi all'interno di goccioline. Facendo un passo indietro, vedi che aggiungendo più RNA, stiamo creando goccioline a bassa densità all'interno di goccioline ad alta densità, " disse Deniz.

Deniz ha paragonato questo fenomeno a un cubetto di ghiaccio che si scioglie dall'interno. interessante, queste goccioline interne, chiamati vacuoli, assomigliano alle complesse sottostrutture interne che si osservano tipicamente in un certo numero di organelli cellulari simili a goccioline.

"La chiave per creare vacuoli è questa transizione unidirezionale da un liquido omogeneo iniziale a due fasi liquide immiscibili e di nuovo a una fase omogenea semplicemente aumentando la frazione di RNA, " ha aggiunto Banerjee.

Il team ha continuato a testare se questi risultati si applicassero a una proteina chiave trovata nei granuli di stress, importanti organelli "goccioline" che proteggono le cellule durante lo stress. Hanno studiato una proteina legante l'RNA chiamata FUS, che è stato implicato nella SLA.

"Con FUS, abbiamo scoperto che l'RNA può formare e dissolvere le goccioline allo stesso modo del sistema modello più semplice. Sorprendentemente, Le goccioline FUS hanno anche mostrato complesse sottostrutture interne, che apre la strada all'accertamento del ruolo biologico di questi vacuoli, " ha detto Milin.

Sebbene questa ricerca sia ancora agli inizi, i ricercatori ritengono che le mutazioni in FUS possano interferire nella normale dinamica delle goccioline in alcuni pazienti con SLA, forse impedendo alle loro cellule di affrontare adeguatamente lo stress cellulare.

Il lavoro apre una serie di strade per la ricerca futura in biologia cellulare e malattie, compresi studi quantitativi di questo specifico tipo di transizione di fase in altri sistemi biologici, comprendere i determinanti molecolari nelle proteine ​​e nell'RNA che controllano la dinamica delle goccioline, e ulteriori studi di modelli complessi di goccioline.