「何かを発見して、最初はそれは正しくないと言われ、やがて『それはずっと分かっていた』と言うようになった場合、あなたは何かに気づいている可能性があります。」これは、クリフォード・ブラングウィンの心に突き刺さった皮肉です。プリンストン大学の生物物理学者にとって、それは「細胞内液相に関する発見でまさに起こったことです」。
実際には混合しないが、特定の状況下では、溶岩ランプ内の移動する塊のようにクラスター化して分離する、さまざまな特性を持つ液体を考えてみてください。液液相分離としても知られるこの現象は、かつてはもっぱら化学プロセスであると考えられていました。しかし、10 年も経たないうちに、Brangwynne はそれが細胞内でも起こっていることを最初に観察した人の 1 人になり、それ以来、生物学者はその重要性を知ろうとしてきました.
現在、科学者たちは、進化が特定のタンパク質を調整して、集合体で液体のように機能するようになったことを理解し始めています。相分離により、細胞内で必要なタスクを実行できる動的で膜のない液滴のような構造に自発的に自己集合します。
ドイツのドレスデンにあるマックス・プランク分子細胞生物学・遺伝学研究所 (MPICBG) の生物学者 Simon Alberti は、次のように述べています。 . 「焦点は個々の分子にあり、集合体にはありませんでした。」
同じくドレスデンにあるマックス プランク複雑系物理学研究所の生物物理学者である Vasily Zaburdaev 氏は、この突破口は細胞の組織と機能の理解に大きな影響を与えると述べています。最新の発見の 1 つは、特定の種類の細胞が栄養を奪われたりストレス下に置かれたりすると、相分離によって死を回避できることです。相分離により、細胞は細胞質の大部分を液体から固体に変えることができます。つまり、栄養素が戻るまで、基本的に細胞自身をスタシスの丈夫な状態にします。
膜のないオルガネラ
19 世紀の細胞生物学者は、オルガネラ (ラテン語で「小さな器官」) という用語を作り、細胞内に見られる小さな構成要素を説明しました。それでも、アメリカの細胞生物学者であるエドモンド・ビーチャー・ウィルソンのようなこの分野の先駆者は、細胞を満たすゼリー状の細胞質が「さまざまな化学的性質の懸濁滴のような」さまざまな液体を保持している可能性があると考えていました。しかし、その初期の洞察は、ほぼ 1 世紀の間、生物学ではほとんど役に立ちませんでした。研究者は、小滴の形をした細胞オルガネラには、その内容物が細胞質と再混合するのを防ぐためにカプセル化脂質膜が必要であると単純に想定していました.
それでも、カリフォルニア大学アーバイン校の L. デニス スミスや国立環境衛生科学研究所のエドワード ミッチェル エディなどの研究者による 1960 年代から 1970 年代初頭にかけての電子顕微鏡検査では、一部のオルガネラには全く存在しないように見えることが示されました。まったく膜。細胞核内の密な構造である核小体など、より多くの膜のない構造が引き続き発見されました。しかし、2009 年まで、彼らがどのように、そしてなぜ形成されたのかは明らかではありませんでした。
その年、Brangwynne が MPICBG の若いポスドクだったとき、Brangwynne と同僚の Christian Eckmann、スーパーバイザーの Tony Hyman は、予期せぬことに気づきました。彼らは、回虫Caenorhabditis elegansの細胞内のP顆粒と呼ばれるオルガネラの不均一で一貫性のない分布を見ていました。 . P顆粒は、RNAとタンパク質の高密度ペレットであると広く想定されていました。しかし、Brangwynne、Eckmann、Hyman は、顆粒がまったく固体ではないことに気付きました。代わりに、それらはよく振られたビネグレットソースの油のように、時々合体してより大きな滴を形成する液体の滴のように見えました.
「それは偶然の発見でした」とBrangwynneは言いました。 「それらが液体であることを発見したとき、私たちが行ってきた多くの定量的測定は突然完全に理にかなっています。」また、細胞がどのように機能するかについての生物学者の理解も変わりました。
Brangwynne、Eckmann、および Hyman による最初の研究は、さまざまな条件下でのさまざまな細胞質タンパク質の集合と分散を調査する論文のなだれを引き起こしました。細胞が相分離を通じて内部構造とプロセスの一部を組織化するための微調整されたメカニズムを進化させたという証拠がますます強くなりました.
構造生物学者であり、ダラスにあるテキサス大学サウスウェスタン医療センターの生物物理学部門の主任である Michael Rosen は、特定のタンパク質と RNA 分子が合体して液滴になる可能性がある実験室で、この種の相分離を初めて再現した。相分離は、条件が整ったときにタンパク質を整列させて再び分離する可逆的な方法を与えるように思われました.
しかし、場合によっては、このプロセスは元に戻すことができないこと、そしてこの失敗は、神経変性疾患やがんなど、さまざまな病気に関連するタンパク質の機能不全を表していることがわかっています.たとえば、ザブルダエフは、特定の疾患に関連するタンパク質のいくつかの変異型が異常な相分離挙動を示すことを観察しました。 「素敵な滴を形成する代わりに、それらは非常に奇妙なハリネズミ構造を形成します」と彼は言いました.
サバイバルのために固まる
興味をそそられたザブルダエフとアルベルティを含む彼の同僚数人は、細胞が温度の低下や栄養素の突然の消失などのストレスにさらされたときにタンパク質に何が起こるかを調べることにしました.彼らが明らかにした驚くべき結果は、相分離が細胞の生存メカニズムの一部である可能性があるということでした.
細胞の行動は、クマの冬眠にたとえることができます。動物は何週間も休眠状態で横たわり、エネルギーの消費を最小限に抑えます。細胞レベルでは、相分離は、ゼラチン状の細胞質がより固体への保護的移行を行うのに役立ちます. 「この『固化』した状態では、細胞は飢えに耐えることができます」とザブルダエフは言いました。
研究者たちは、酵母とアメーバから栄養素を奪うことによって、この現象を研究しました。栄養素がないということはエネルギーがないことを意味し、酵母細胞は生化学に不可欠な中性 pH を維持するために、細胞質から陽子を送り出すエネルギーを必要とします。 「飢えによって、細胞は酸性化した」とザブルダエフは言った。より酸性の条件下では、タンパク質は溶解状態からより濃縮された固体状態に容易に移行し、よく混合された細胞質はゼラチン状の塊のクラスターに分離されました.
科学者たちは、細胞の環境の酸性度を変化させるだけで、細胞の栄養素を奪わなくても、細胞をこの生存状態に切り替えるように誘導することができました。細胞はこのようにして数時間または数日休むことができます.アルベルティ氏によると、細胞は非常に硬く、変形するのではなく、形状を維持していることがわかりました。それらは「完全に異なる物質状態に移行します」
後で正常な pH に戻ると、細胞は正常に戻り、「分裂して幸せに暮らしています」と Zaburdaev 氏は述べています。
科学者たちは、浸透によって酵母を完全に脱水することにより、相分離と凝固を引き起こすこともできることを発見しました。ただし、異なるタイプの応力は、わずかに異なる固体状態を誘発するようです。それが正確にどのように機能するかは、「まだわかっていないことです」と Alberti 氏は述べています。
それにもかかわらず、実験で明らかになった生存メカニズムは非常に単純であるとアルベルティ氏は述べた。ストレスがかかると、広範な相分離が細胞質全体の硬化を引き起こし、冬眠中のクマが冬に落ち着くように、細胞はその代謝をオフにする.
冬眠との比較は、比喩的なものではありません。 「冬眠中の哺乳類の細胞も内部で凝固する可能性があります」とアルベルティは言いました。 「固化は無料で行われるため、この種の環境変化に対処するのに最適な方法です。エネルギーは、温度変化または pH の低下から生じます。」しかし、相分離が関与しているという仮説はまだテストする必要があると彼は言いました.
代謝制御のために固定
ごく最近、Alberti のチームは、分子レベルでのストレスに対する細胞質タンパク質の相分離応答を調査してきました。彼らが特に興味を持っているのは、それが細胞代謝の制御にどのように関係しているかです。
アルベルティ氏によると、何かをオフにする完璧な方法は、再び必要になるまで可逆的に固定できる固体材料に入れることです。 「これは、分子を損傷から保護する方法ですが、分子をオフにして、後で使用するために保存する方法でもあります。」
チームは、タンパク質が特定の識別可能なドメインまたは領域を持っている場合、タンパク質が容易に可逆的なゲルを形成することを発見しました。このドメインが存在しない場合、タンパク質は不可逆的なタイプのアセンブリを形成し、その後の使用から永久に除去されます。
実際、このドメインはタンパク質の相挙動を変更し、再利用可能に保ちます。 「ドメインは、そのタンパク質が良性の種類のゲルに集合し、元に戻れないものではないという新しい可能性を提供します」と Alberti 氏は述べています。
ある試験管実験では、研究者は単一のタイプのタンパク質を含む溶液を取り、そのpHを下げました.彼らは、タンパク質の分子が溶液から相分離し、ゲル状の塊を形成するのを見ました。その後、pH を中性に戻し、ゲルを溶解させました。これは、「細胞で見たものとまったく同じことを示しています」と Alberti 氏は述べています。
このような結果は、タンパク質の材料特性を調整するために自然がドメイン配列を設計したことを意味します。メイン州バーハーバーにある MDI 生物学研究所の生物学者であるダスティン アップダイクは、これは非常に有益であると述べています。これは、細胞に「熱ショック、pH、浸透圧ストレスなどの急激なストレスに応答するメカニズム」を与えるからです。細胞内の調節メカニズムは、遺伝子レベルで機能することが多く、核に到達するシグナル、遺伝子転写の開始、および適切な酵素の製造に依存していると彼は説明した。しかし、それらのイベントには時間がかかります。対照的に、相分離は非常に速く、ストレスに対してほぼ即座に反応します。
それは本当に重要ですか?
Zaburdaev 氏によると、細胞内の相分離の正確なメカニズムと効果を理解することは、臓器の保存や老化の研究から宇宙旅行に至るまで、あらゆる範囲の大きな生物学的課題に非常に関連している可能性があります。
たとえば最近、イェール大学の神経科学者 Pietro De Camilli と彼の同僚は、相分離がシナプスでの神経伝達物質の制御された放出に関与している可能性があるという証拠を発見しました。神経伝達物質を含む小胞は、必要になるまでシナプス前膜の近くのクラスターで定期的にホバリングすることが観察されていました。 De Camilli のチームは、シナプシン 1 と呼ばれる足場タンパク質が他のタンパク質と一緒に液相に凝縮し、小胞をこれらのクラスターに結合することを示しました。シナプシンがリン酸化されると、液滴は急速に消散し、小胞が解放されて神経伝達物質がシナプスに流出します。
ただし、まだ初期の段階です。 Brangwynne と彼の同僚が 10 年前に論文を発表したとき、生物学者は完全に信じられないという反応や、まったく新しい研究の方向性への希望という反応を示しました。 Updike が指摘したように、細胞生物学者にとって、タンパク質凝集の観点から現象を考えるのではなく、流体力学を記述する必要がある液相分離のより複雑な問題に移行するのは難しい場合があります.
「私にとって、クリフの研究は、P顆粒の性質と私たちが見ているものをよりよく説明する大きな進歩でした」とアップダイクは言いました. 「顆粒を精製することはできますが、油滴に似たものを精製することは、はるかに困難です。」
Updike と Brangwynne によると、細胞メカニズムとしての相分離の概念を裏付ける科学論文が増えるにつれて、懐疑論者の数は減り続けています。しかし、疑問はまだ残っています。
「批判の1つは、すべてのタンパク質がこれを行うことができると言う人がいるということです.さまざまな条件下でタンパク質を濃縮すると、タンパク質が凝固または液化することがあることは、科学では常識です。 「しかし、これが実際に細胞によって使用され、進化が実際に作用し、生体分子のこの能力を使用して、代謝のダウンレギュレーションなどの機能的変化を達成するという考えはありませんでした。」
ドイツ神経変性疾患センター (DZNE) の生物学者である Susan Wegmann は、「これまでのところ、生きている多細胞生物でタンパク質の相分離が実際に起こることは示されていません」と述べています。したがって、神経科学やその他の分野における複雑な問題に対する細胞内の相分離の関連性は不明です。 「私たちと他の人たちはそのつながりを作ろうとしていますが、もちろんそれは非常に難しく、技術的に困難です。そして、タンパク質の凝縮が神経変性などの人間の病気に関連していることが判明した場合、特定の方法でそれを妨害する賢明な方法を見つける必要があります。」
ハーバード大学医学部のシステム生物学の教授である Tim Mitchison は、生物学において相分離が一般的に重要な概念であるかどうかについて懐疑的です。 「ストレス顆粒のようないくつかの特定の例を除いて、細胞の細胞質における相分離の証拠はあまり見られませんでした」と彼は言いました.この概念は、細胞生物学以外の聴衆をあまり見つけていないようです。多くの研究者は、相分離についてまだ聞いていないか、研究を無視しています.
「機能的な証拠が増えるまで待っているのかもしれません」と Mitchison 氏は述べた。彼は、適切な溶媒が十分にあれば、ほぼすべてのタンパク質または RNA を相分離させることができると指摘しました。 「しかし、これがどれだけ生理学的に関連しているかは明らかではありません。おそらく特に RNA タンパク質生物学では、相分離が問題であると私は完全に確信しています」と彼は言いました。 「それがどれほど一般的かはよくわかりません。」
Brangwynne はその留保に動揺していないようだ。一部の懐疑論者は、「これが細胞の機能と機能不全にとって何を意味するのかについて、非常に有効な質問をしているが、それはまだ十分に理解されていない」と彼は考えている.他の人はまだ予測定量モデルのアイデアに慣れているかもしれません.「しかしそれは生物学の未来です.」
