Рост клеточных органелл напомнил ученым изготовление леденца из сахарного раствора

Современная биология достигла глубокого понимания работы клеток, но механизмы правильного сбора и роста клеточных структур в большей степени остаются тайной.

Теперь ученые из университета Принстона, возможно, нашли ответ в динамическом скоплении молекул внутри клеток.

Эта структура известна как нуклеолус, и под микроскопом она видна в виде групп маленьких черных точек, совсем как семена мака на сдобной булке. Первичная функция нуклеолуса — произвести рибосомы, молекулярные механизмы, которые крайне важны для роста клетки. Исследователи задались простым вопросом: становятся ли нуклеолусы больше с ростом содержащих их клеток?

«Мы подумали: основаны ли сборка и функция нуклеолуса на размере клетки?», сообщил ведущий исследователь Клиффорд Брэнгуинн, доцент химического и биологического инжиниринга. „Если это так, то нуклеолус способен предоставить механизм обратной связи для регулирования клеточного роста“.

Предел клеточного роста, а также то, как клетки «выбирают» свой конечный размер, долгое время является открытым вопросом для биологов. Клетки с распространенной функцией — мышечные, нервные и т.д. — достигают однородного размера, однако как они это делают, не известно. Механизм, с которым клетки выполняют эту функцию, и пути, по которым этот процесс проходит со сбоем, также играют важную роль во многих типах заболеваний, включая различные формы рака.

«Известно, что нуклеолус стимулирует рост клетки», сказал Брэнгуинн. „Возможно, существуют простые биофизические правила, которые напрямую связывают нуклеолус и его функции с размером клетки, позволяя нуклеолусу знать клеточный размер“.

Нуклеолус — одна из множества органелл клетки. Эта структура работает подобно органу в человеческом организме. Если более точно, нуклеолус известен как тело РНК-белка — класс органелл, которые не имеют четких границ, которые отделяли бы их от окружающей жидкой протоплазмы. Ранее Брэнгуинн установил, что эти структуры ведут себя как вязкие жидкие капли — подобно каплям масла в воде. Работа исследователя предполагает, что эти жидкоподобные структуры собираются в процессе фазового перехода (этот же механизм запускает конденсацию капель росы на траве).

Прежняя работа группы привела к анализу того, приведет ли повышенная концентрация клеточного вещества к фазовому переходу, который монтирует нуклеоли. Если так, это позволит регулировать размер клеток: маленькие клетки с высокой концентрацией вещества смогли бы легко собирать нуклеоли, однако как только клетка выросла бы слишком крупной, нуклеоли расформируются, и рост прекратится.

«Это похоже на изготовление леденца из сахарного раствора», пояснил Брэнгуинн. „Если слишком сильно развести раствор, леденец не получится“.

Брэнгуинн и постдок Стефани Вебер протестировали гипотезу в ходе ряда экспериментов, используя эмбрион нематоды. В статье, опубликованной в издании Current Biology, исследователи подробно пояснили, как они применили технику РНК-интерференции для увеличения или уменьшения размера клеток, а затем проанализировали эффект на собрании нуклеолей.

«Мы использовали некоторые полезные особенности червя, которые позволили нам изменять концентрацию всех нуклеолярных компонентов, просто меняя размер клетки», сказала Вебер.

Ученые смогли получить математическую модель, основанную на физике фазовых переходов, которая объясняет изменение размера. В модели они показали, что собрание и размер нуклеоли основаны на двух факторах: первый — концентрация клеточного вещества, связанная с размером клетки, а второй — энергия взаимодействий между молекулами в клетке, которая определяет концентрацию насыщения фазового перехода.

Модель объясняет, почему нуклеоли не собираются в некоторых клетках, и почему вырастают больше или меньше в разных клетках.