EINEin aufstrebendes Forschungsgebiet untersucht, wie Gruppen von Molekülen in Zellen zusammenkondensieren, wie sich Öltröpfchen in einer Vinaigrette sammeln und von Wasser trennen.
In menschlichen Zellen tritt eine „Flüssig-Flüssig-Phasentrennung“ auf, weil ähnliche, große Moleküle zu dichten Tröpfchen zusammenklumpen, die von den verdünnteren Teilen des flüssigen Zellinneren getrennt werden. Frühere Arbeiten deuteten darauf hin, dass die Evolution die natürliche Bildung dieser „Kondensate“ nutzte, um Zellen zu organisieren, indem sie beispielsweise isolierte Räume für den Bau von Zellmaschinen schuf.
Darüber hinaus enthalten die Zellen von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit, fast immer abnormale, kondensierte – auch „verschränkte“ – Gruppen von Molekülen in Tröpfchen. Während niemand weiß, warum sich solche Kondensate bilden, schlägt eine neue Theorie vor, dass sich die biophysikalischen Eigenschaften des Zellinneren mit zunehmendem Alter des Menschen ändern – teilweise angetrieben durch „molekulares Crowding“, das mehr Moleküle in dieselben Räume packt, um die Phasentrennung zu beeinflussen.
Forscher vergleichen Kondensate mit Mikroprozessoren, Computern, die in Schaltkreise eingebaut sind, weil sie Reaktionen auf der Grundlage eingehender Informationen erkennen und berechnen. Trotz der vermuteten Auswirkungen physikalischer Veränderungen auf Fluidprozessoren kämpfe das Gebiet darum, die Mechanismen zu klären, die Phasentrennung, Kondensatbildung und Berechnung auf der Grundlage chemischer Signale verbinden, die in viel kleinerem Maßstab auftreten, sagten die Forscher. Denn natürliche Kondensate haben so viele Funktionen, dass Experimente sie nur schwer eingrenzen können.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, bauten Forscher der NYU Grossman School of Medicine und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen ein künstliches System, das zeigte, wie die Kondensatbildung die Wirkung von Enzymen namens Kinasen auf molekularer Ebene verändert, ein Beispiel für chemische Berechnungen. Kinasen sind Proteinschalter, die zelluläre Prozesse durch Phosphorylierung – Bindung eines Moleküls namens Phosphatgruppe – an Zielmoleküle beeinflussen.
Die neue Analyse, online veröffentlicht am 14. September in Molekulare Zellefanden heraus, dass die Bildung künstlicher Kondensate während der Phasentrennung „klebrigere“ Regionen bereitstellte, in denen medizinisch wichtige Kinasen und ihre Ziele interagieren und Phosphorylierungssignale auslösen konnten.
„Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass physikalische Veränderungen wie Menschenansammlungen eine Kondensatbildung verursachen können, die in biochemische Signale umgewandelt wird, als ob Kondensate matschige Computer wären“, sagte der Hauptautor der Studie Liam J. Holt, PhDein Mitglied der Institut für Systemgenetik an der NYU Langone Health.
Unter den Studienkinasen, die in einer überfüllten, kondensierten Umgebung aktiver waren, befand sich die Cyclin-abhängige Kinase 2, von der bekannt ist, dass sie das Mikrotubuli-bindende Protein Tau phosphoryliert. In den Gehirnzellen von Patienten mit Alzheimer-Krankheit findet man häufig verknäulte Tau-Kondensate.
„Unsere Experimente deuten darauf hin, dass die Bildung von mehr Tau-Kondensaten mehr Tau-Phosphorylierung stimuliert“, fügt Dr. Holt Toe, der auch außerordentlicher Professor an der Institut für Biochemie und Molekulare Pharmakologie. „Ob diese Mechanismen zu einem erhöhten Hirnzelltod führen und ob ihre Umkehrung ein neuer Behandlungsansatz sein könnte, werden wichtige Fragen unserer kommenden Arbeit sein.“
Insbesondere fand die Studie heraus, dass, wenn Tau und Cyclin-abhängige Kinase zusammen zu dichten Tröpfchen kondensierten, eine dreifache Beschleunigung einer Phosphorylierung an einer Gruppe von Stellen auf Tau (dem AT8-Epitop) erfolgte, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung stehen.
Entwicklung eines Biosensors
Auf der Suche nach nützlichen Versionen dieser Computer testete das Forschungsteam mehrere künstliche Kondensate und synthetisierte verschiedene Gerüstmoleküle, um zu sehen, welche Probenkinasen – MAPK3, Fus3 und Cyclin-abhängige Kinase 1 (Cdk1) – zusammen mit ihren Zielen am besten gezogen wurden, um die Signalübertragung zu verstärken . Kondensate entstehen, wenn Gerüstmoleküle in Tröpfchen ineinandergreifen. Das Team fand heraus, dass in ihrem Modell das Sammeln großer Biomoleküle in Tröpfchen in einzelligen lebenden Organismen namens Hefe die Phosphorylierungsreaktionen hundertmal schneller machte.
Die Studie ergab auch, dass die Kondensatbildung es den eingebauten Kinasen ermöglichte, mehr Arten von Molekülen zu phosphorylieren, und zwar ohne die Anwesenheit der normalerweise erforderlichen molekularen Formen. Dies deutet darauf hin, dass Kondensate in überfüllten Zellen veränderte Rechentypen erzeugen, von denen einige möglicherweise krankheitsbedingt sind, sagen die Autoren.
Künftig will das Forschungsteam auf a aufbauen vorheriges Studium im Labor von Dr. Holt, der herausfand, dass ein Proteinkomplex namens mTORC1 die molekulare Verdrängung kontrolliert, indem er die Anzahl der Ribosomen bestimmt, „Maschinen“, die andere große Proteine in Zellen aufbauen. Das Team plant zu untersuchen, ob Verbindungen, von denen bekannt ist, dass sie mTORC1 hemmen, Crowding und Tau-Phosphorylierung reduzieren können.
Schließlich hofft das Forschungsteam, dass ihre Ergebnisse das Design anderer zellularer Computer voranbringen, die auf physikalische Kräfte reagieren. Dies könnte die Einführung von technischen Prozessoren in Immunzellen beinhalten, die sich einschalten – um Krebszellen anzugreifen – wenn sie versuchen, sich in Gewebe zu quetschen, das durch wachsende Tumore verdichtet wurde.
Zusammen mit Dr. Holt waren die Autoren der Studie vom Institut für Systemgenetik der NYU Langone Health Dajun Sang und Tong Shu. Weitere Autoren waren Christian Pantoja, Alain Ibanez de Opakua und Markus Zweckstetter vom Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE), Göttingen, Deutschland. Zweckstetter ist auch eine Fakultät des Max-Planck-Instituts für multidisziplinäre Wissenschaften, Abteilung für NMR-basierte Strukturbiologie.
Die Studie wurde von den National Institutes of Health Grants R01 GM132447, R37 CA240765 und TR01 NS127186 finanziert. Die Arbeit wurde auch von der American Cancer Society, dem Pershing Square Sohn Cancer Award, der Chan Zuckerberg Initiative, dem Wettbewerb der Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative (MURI), dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und dem European Research Council unterstützt. .
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