世界中の人々がユタ州のグレート ソルト レイクに詰め込まれていると想像してみてください。英国の細胞生物学者であり、ドレスデンのマックス・プランク分子細胞生物学・遺伝学研究所所長であるアンソニー・ハイマン氏は、これにより、典型的な細胞内の 50 億個のタンパク質がどれほど密集しているかがわかります.
どういうわけか、その活発な細胞質の中で、酵素は基質を見つけ、シグナル伝達分子は受容体を見つける必要があるため、細胞は成長、分裂、生存の仕事を行うことができます.細胞が均一に混合された細胞質の袋をスロッシングしている場合、それを達成することは困難です.しかし、そうではありません。膜に囲まれたオルガネラは、内容物の一部を整理するのに役立ち、一連の材料を有効に区画化し、細胞の生化学的燃料である ATP の生成などの重要なプロセスを可能にする表面を提供します。しかし、科学者はまだ理解を始めたばかりなので、科学者は秩序の源の 1 つにすぎません。
最近の実験では、一部のタンパク質は、細胞内の液滴の形成と溶解の間の遷移を正確にバランスさせる分子力に応答して、凝縮物と呼ばれる一時的な集合体に自発的に集まることが明らかになりました。膜のないオルガネラと呼ばれることもある凝縮物は、細胞質の残りの部分から特定のタンパク質を隔離し、不要な生化学反応を防ぎ、有用なものの効率を大幅に高めることができます。これらの発見は、細胞がどのように機能するかについての私たちの基本的な理解を変えています.
例えば、凝縮物は多くの細胞プロセスの速度を説明するかもしれません。 「凝縮体の重要な点は、工場のようなものではありません。それはフラッシュモブのようなものです。ラジオをオンにすると全員が集まり、ラジオをオフにすると全員が姿を消します」とハイマンは言いました。
そのため、このメカニズムは「精巧に調節可能」であると、カリフォルニア大学バークレー校およびローレンス・バークレー国立研究所の細胞生物学者である Gary Karpen 氏は述べています。 「分子の濃度を変えるだけで、これらのものを形成し、非常に簡単に溶解することができます」またはタンパク質を化学的に修飾する.この精度により、遺伝子発現を含む他の多くの現象を制御することができます。
このメカニズムの最初のヒントは、2008 年の夏、ハイマンと当時のポスドク フェローであるクリフ ブラングウィン (現在はプリンストン大学のハワード ヒューズ医学研究所の研究者) が有名な海洋生物学研究所の生理学コースで教え、胚発生を研究していたときに到着しました。 C のエレガンス 回虫。ハイマンとブラングウィンは、虫卵の受精卵内の RNA の凝集体が液滴を形成し、それが分離または融合することを観察したとき、これらの「P 顆粒」は細胞質内の油滴のように相分離によって形成されるという仮説を立てました。ビネグレット。
その提案は、2009 年に Science に掲載されました 、当時はあまり注目されませんでした。しかし、2012 年頃、細胞内の相分離に関する論文が次々と出てきました。これには、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 Michael Rosen の研究室での重要な実験が含まれており、細胞シグナル伝達タンパク質もこの相分離挙動を示すことができることが示されました。 2015 年までに、論文の流れは急流に変わり、それ以来、生体分子凝縮物に関する研究の洪水がありました。これらの液体のような細胞コンパートメントは、弾性と粘性の両方の特性を備えています。
現在、細胞生物学者は、遺伝子発現の調節、有糸分裂紡錘体の形成、リボソームの組み立て、および核と細胞質におけるその他の多くの細胞プロセスにおいて、どこを見ても凝縮物を見つけているようです.これらの凝縮物は単に斬新なだけでなく、示唆に富んでいます:それらの機能が分子の集団的挙動から生じるという考えは、凝縮物生物学の中心的な概念になり、生化学物質とその標的のペアの古典的な図とは対照的です錠前と鍵のようにぴったりと合います。研究者は、これらの新たな特性の機能を調べる方法をまだ考え出しています。これには、細胞内の小さな液滴の粘度やその他の特性を測定および操作するための新しい技術の開発が必要になります.
液滴形成を促進するもの
生物学者が生細胞の凝縮の背後にある相分離現象を駆動するものを最初に説明しようとしたとき、タンパク質自体の構造が自然な出発点となりました。よく折りたたまれたタンパク質は、通常、親水性アミノ酸と疎水性アミノ酸が混在しています。疎水性アミノ酸は、水分子から離れてタンパク質の折り畳みの内側に埋もれる傾向がありますが、親水性アミノ酸は表面に引き寄せられます.これらの疎水性および親水性アミノ酸は、タンパク質がどのように折り畳まれ、その形状を保持するかを決定します.
しかし、一部のタンパク質鎖には疎水性アミノ酸が比較的少ないため、フォールディングする理由がありません。代わりに、これらの本質的に無秩序なタンパク質 (IDP) は形が変動し、多くの弱い多価相互作用に関与します。 IDP 相互作用は、流体のような液滴の挙動を説明する最良の説明であると長年考えられてきました。
しかし昨年、Brangwynne は IDP が重要であることを強調するいくつかの論文を発表しましたが、「この分野は IDP を強調しすぎました」凝縮物に関与するほとんどのタンパク質は、いくつかの構造化ドメインといくつかの無秩序な領域を持つ共通のアーキテクチャを持っていると彼は言います.凝縮物をシードするには、分子は他の分子と多くの弱い多価相互作用を持たなければなりません。それを達成する別の方法があります:オリゴマー化です。
オリゴマー化は、タンパク質が互いに結合し、オリゴマーと呼ばれる繰り返し単位でより大きな複合体を形成するときに発生します。タンパク質の濃度が増加すると、相分離とオリゴマー形成も増加します。 12 月に開催された米国細胞生物学会での講演で、Brangwynne は、オリゴマーの濃度が増加するにつれて、オリゴマーの相互作用の強さが最終的には核形成障壁 (凝縮物を残りの部分から分離する表面を作成するのに必要なエネルギー) を克服することを示しました。細胞質。その時点で、タンパク質は液滴内に含まれています。
過去 5 年間で、研究者はタンパク質のこの集団的挙動が小さな物理的および化学的力からどのように発生するかを理解する上で大きな進歩を遂げました。しかし、彼らは、細胞が実際にこの現象をどのように利用して成長し、分裂しているかをまだ研究中です.
凝縮物と遺伝子発現
凝縮物は細胞生物学の多くの側面に関与しているようですが、特に注目されている分野の 1 つは、遺伝子発現とタンパク質の生成です。
リボソームは細胞のタンパク質製造工場であり、細胞内のリボソームの数によってその成長率が制限されることがよくあります。 Brangwynne らの研究は、急速に成長する細胞が、核内の最大の凝縮体である核小体から何らかの助けを得ている可能性があることを示唆しています。核小体は、リボソーム RNA を作る特定の酵素 (RNA ポリメラーゼ I) を含む、必要なすべての転写機構を集めることにより、リボソーム RNA の迅速な転写を促進します。
数年前、Brangwynne と彼の当時のポスドクであった Stephanie Weber (現在はモントリオールのマギル大学の助教授) は、核小体のサイズ (したがってリボソーム RNA 合成の速度) が初期段階でどのように制御されているかを調査しました C.エレガンス 胚。母虫はすべての胚に同じ数のタンパク質を与えるため、小さな胚はタンパク質の濃度が高く、大きな胚はタンパク質の濃度が低くなります。研究者が 2015 年の Current Biology で報告したように 論文によると、核小体のサイズは濃度依存性です。小さな細胞には大きな核小体があり、大きな細胞には小さな核小体があります。
Brangwynne と Weber は、人工的に細胞サイズを変更することで、タンパク質濃度と生成される核小体のサイズを増減できることを発見しました。実際、彼らが濃度を臨界閾値以下に下げた場合、相分離も核小体もありませんでした。研究者たちは、細胞内の核小体のサイズを正確に予測できる、凝縮体形成の物理学に基づいた数学的モデルを導き出しました。
現在ウェーバーは、細胞が小さく、膜結合コンパートメントを持たない細菌の凝縮物を探しています。 「細菌には代替手段がないため、これは区画化のさらに重要なメカニズムかもしれません」と彼女は示唆しました。
昨年の夏、Weber は成長の遅い E.大腸菌 細菌では、RNAポリメラーゼ酵素は均一に分布していますが、急速に成長する細胞では液滴にクラスター化します.急速に成長する細胞は、リボソーム RNA を効率的に合成するために、ポリメラーゼをリボソーム遺伝子の周りに集中させる必要があるかもしれません。
「[相分離] は生命のすべての領域にあり、さまざまな機能に特化できる普遍的なメカニズムのようです」と Weber 氏は述べています。
Weber と Brangwynne は、アクティブな転写が 1 つの大きな凝縮体である核小体で発生することを示しましたが、核内の他の凝縮体は反対のことを行います。核内の DNA の大部分は、よりコンパクトで、一般にタンパク質として発現されないため、ヘテロクロマチンとして分類されます。 2017 年、Karpen、Amy Strom (現在 Brangwynne の研究室のポスドク) とその同僚は、特定のタンパク質がショウジョウバエのヘテロクロマチン上で相分離し、液滴を形成することを示しました。 胚。これらの液滴は互いに融合することができ、核内でヘテロクロマチンを圧縮するメカニズムを提供する可能性があります.
この結果はまた、長年の謎に対するエキサイティングな説明の可能性を示唆しています。何年も前に、遺伝学者は、活発に発現する遺伝子を取り、ヘテロクロマチンのすぐ隣に配置すると、ヘテロクロマチン状態が広がっているかのように、遺伝子が沈黙することを発見しました. 「この拡散現象は早い段階で発生したものであり、誰もそれを本当に理解していませんでした」とカーペンは言いました.
その後、研究者はメチルトランスフェラーゼと呼ばれるエピジェネティックな調節に関与する酵素を発見し、メチルトランスフェラーゼはヘテロクロマチンから隣接するユークロマチンへとDNA鎖を1つのヒストンから次のヒストンへ単純に進行するという仮説を立てました。言った。これは、過去 20 年間の拡散現象を説明するための主要なモデルでした。しかし、Karpen は、ヘテロクロマチン上にある凝縮物は、ひもの上の湿ったビーズのように、サイレント ヘテロクロマチン状態の拡散を説明する別のメカニズムの産物である可能性があると考えています。 「これらは、生物学がどのように機能するかについて考える根本的に異なる方法です」と彼は言いました.彼は現在、仮説の検証に取り組んでいます。
フィラメントの形成
凝縮物はまた、核内ではなく、細胞膜に沿った別の細胞の謎を解決するのにも役立ちました.リガンドが細胞表面の受容体タンパク質に結合すると、細胞質を介してシグナルを伝達する分子の変化と動きのカスケードが開始されます。しかし、そのためにはまず、分散しているすべてのプレーヤーをメカニズムに集める必要があります。研究者たちは現在、相分離は必要なシグナル伝達分子を膜受容体にクラスター化するために細胞が使用するトリックである可能性があると考えている、とローゼン研究所でポスドクとして訓練を受け、今月マサチューセッツ工科大学で彼女自身の研究室を開始する Lindsay Case は説明する.
ケースは、リン酸基の付加など、シグナル伝達に一般的に使用されるタンパク質修飾が、タンパク質の原子価、つまり他の分子と相互作用する能力を変化させることに注目しています。したがって、修飾は、タンパク質が凝縮体を形成する傾向にも影響を与えます。 「細胞が何をしているのかを考えると、実際には原子価のこのパラメーターを調節しているのです」と Case は言いました。
凝縮物はまた、小さなモノマーサブユニットの長いタンパク質フィラメントへの重合を調節および組織化する上で重要な役割を果たす可能性があります。 「凝縮体の外で行うよりも長い時間分子を一緒にしているため、重合が促進されます」と Case は言いました。彼女のポスドク研究では、凝縮物がアクチンのフィラメントへの重合を促進し、特殊化された腎臓細胞がその異常な形状を維持するのを助けることを発見しました.
チューブリンの重合は、細胞分裂を助ける有糸分裂紡錘体の形成の鍵です。ハイマンは、1980 年代にケンブリッジ大学の分子生物学研究所での大学院での研究中に、有糸分裂紡錘体の形成を理解することに興味を持つようになりました。そこで、彼は単細胞のC.エレガンス 胚は、2 つの細胞に分裂する前に有糸分裂紡錘体を形成します。現在、彼はこのプロセスにおける凝縮物の役割を調査しています。
ある in vitro 実験で、Hyman と彼のチームは、微小管結合タウタンパク質の液滴を作成し、次にタウ液滴に移動するチューブリンを追加しました。液滴にヌクレオチドを加えて重合をシミュレートすると、チューブリン モノマーが集合して美しい微小管が形成されました。ハイマンと彼の同僚は、細胞が微小管の重合と有糸分裂紡錘体の形成を開始する一般的な方法は相分離である可能性があると提案しました。
タウタンパク質は、アルツハイマー病の特徴であるタンパク質凝集体を形成することでも知られています.実際、筋萎縮性側索硬化症 (ALS) やパーキンソン病などの多くの神経変性疾患には、細胞内のタンパク質凝集体の形成不全が関与しています。
これらの凝集体がどのように形成されるかを調べるために、Hyman のチームは、ALS に関連する変異型を持つ FUS と呼ばれるタンパク質に注目しました。 FUS タンパク質は通常、核内に見られますが、ストレスを受けた細胞では、タンパク質は核を離れて細胞質に入り、そこで液滴を形成します。 Hyman のチームは、変異した FUS タンパク質の液滴を in vitro で作成すると、わずか約 8 時間後に液滴が凝固して、彼が「恐ろしい凝集体」と呼ぶものになることを発見しました。変異タンパク質は、通常の形態の FUS よりもはるかに速く液体から固体への相転移を引き起こしました。
おそらく問題は、凝集体が病気で形成される理由ではなく、健康な細胞で形成されない理由です. 「私がグループ会議でよく尋ねることの 1 つは、なぜセルがスクランブルエッグでないのかということです。」 Hyman は、細胞生物学会議での講演で次のように述べています。細胞質のタンパク質含有量は「非常に濃縮されているため、溶液から衝突するはずです」.
ハイマンの研究室の研究者が細胞燃料の ATP を精製されたストレス顆粒タンパク質の凝縮物に加え、それらの凝縮物が消失するのを見たときに手がかりが得られました。さらに調査するために、研究者は卵白を試験管に入れ、一方の管に ATP を、もう一方の管に塩を加えて加熱しました。塩中の卵白は凝集しましたが、ATP を含む卵白は凝集しませんでした。ATP は、生きた細胞で見られる濃度でタンパク質の凝集を妨げていました。
しかし、どのように？ハイマンがバンガロールでセミナーを開催したときに化学者に偶然会うまで、それはパズルのままでした.化学者は、工業プロセスでは、ハイドロトロープと呼ばれる添加剤が疎水性分子の溶解度を高めるために使用されることに注目しました。研究室に戻ると、Hyman と彼の同僚は、ATP がハイドロトロープとして非常にうまく機能することを発見しました。
興味深いことに、ATP は細胞内に非常に豊富に存在する代謝産物であり、典型的な濃度は 3 ～ 5 ミリモルです。 ATP を使用するほとんどの酵素は、3 桁低い濃度で効率的に動作します。では、代謝反応を促進する必要がないのに、なぜ ATP は細胞内にこれほど集中しているのでしょうか?
Hyman が示唆する 1 つの説明の候補は、ATP が 3 ～ 5 ミリモル以下ではヒドロトロープとして作用しないということです。 「1つの可能性は、生命の起源において、ATPは生体分子を高濃度で可溶性に保つ生物学的ハイドロトロープとして進化し、後にエネルギーとして採用された可能性があるということです.
ハイマンは、その仮説を実験的に検証するのは難しいと認めています。なぜなら、ATP のエネルギー機能に影響を与えずに ATP のヒドロトロピック特性を操作するのは難しいからです。しかし、この考えが正しければ、加齢に伴う疾患で一般的にタンパク質凝集体が形成される理由を説明するのに役立つかもしれません。なぜなら、ATP 産生は年齢とともに効率が低下するからです.
液滴のその他の用途
タンパク質凝集体は、神経変性疾患において明らかに悪いものです。しかし、液相から固相への移行は、他の状況に適応できる可能性があります。
卵子に成熟する前に何十年も休眠することができる卵巣の細胞である原始卵母細胞を取り上げます。これらの細胞のそれぞれは、クモから人間までの生物の卵母細胞に見られるアミロイドタンパク質の大きな凝縮体であるバルビアーニ小体を持っています。バルビアーニ体は、ミトコンドリアの大部分を長いアミロイドタンパク質繊維と一緒にクラスター化することにより、卵母細胞の休眠期にミトコンドリアを保護すると考えられています。卵母細胞が卵子へと成熟し始めると、これらのアミロイド繊維が溶解し、バルビアーニ体が消失すると、バルセロナのゲノム調節センターの細胞および発生生物学者である Elvan Böke は説明します。 Böke は、これらのアミロイド線維がどのように集合および溶解するかを理解するために取り組んでおり、不妊症または神経変性疾患を治療するための新しい戦略につながる可能性があります.
タンパク質凝集体は、損傷後の止血など、非常に迅速な生理学的反応を必要とする問題も解決できます。たとえば、Mucor circinelloides 栄養分が流れる根のような菌糸の相互接続された加圧ネットワークを持つ真菌種です。進化細胞生物学者のグレッグ・ジェッドが率いるテマセック ライフ サイエンス研究所の研究者は最近、Mucor の先端を傷つけたときに、 菌糸、原形質は最初に噴出しましたが、ほぼ瞬時に出血を止めるゼラチン状のプラグを形成しました.
Jedd は、この応答が、おそらく反復構造を持つタンパク質である長いポリマーによって媒介されているのではないかと考えました。研究者は 2 つの候補タンパク質を特定し、それらがないと、損傷した菌類が壊滅的に原形質の水たまりに出血することを発見しました.
Jedd と彼の同僚は、ゲリン A とゲリン B と呼ばれる 2 つのタンパク質の構造を研究しました。タンパク質には 10 個の反復ドメインがあり、その一部は細胞膜に結合できる疎水性アミノ酸を持っていました。タンパク質はまた、損傷部位で原形質が噴出するときに経験する力と同様の力で展開しました. 「流れにはこの大規模な加速があり、おそらくこれがジェリンに状態を変えるように指示している引き金であると考えていました」とジェッドは言いました.ジェリンを液相から固相に移行させる物理的合図によって引き起こされるプラグは、不可逆的に固化します。
対照的に、真菌種ではNeurospora 、菌糸はコンパートメントに分割されており、水と栄養素の流れを調節する細孔があります。ジェッドは、毛穴がどのように開いたり閉じたりするのか知りたがっていました。 「私たちが発見したのは、細孔を閉じるメカニズムを提供するために、凝集して細孔を形成しているように見えるいくつかの本質的に無秩序なタンパク質です」と Jedd 氏は説明しました。
Neurospora Jedd のチームは、この仕事の候補であるタンパク質が、いくつかの哺乳類のタンパク質にも見られる混合電荷ドメインを繰り返していたことを知りました。研究者がさまざまな組成のタンパク質を合成したが、長さと電荷パターンの組み合わせは類似しており、それらを哺乳類細胞に導入したところ、タンパク質が核スペックルに組み込まれる可能性があることがわかった。核スペックルは、遺伝子発現の調節を助ける哺乳類細胞核内の凝縮物である、彼らとセントルイスのワシントン大学の Rohit Pappu が率いる同僚が 2020 Molecular Cell で報告したように
真菌界と哺乳類界は、凝縮に基づくメカニズムで無秩序な配列を使用する戦略に独立して到達したように見える、と Jedd は述べた。
古い説明の再考
相分離はどこにでもあることが判明し、研究者はこの現象がさまざまな細胞機能にどのように関与するかについて多くのアイデアを生み出しました. 「[相分離] がもたらす刺激的な可能性はたくさんあるので、それがこの分野への関心を駆り立てていると思います」と Karpen 氏は述べています。しかし、彼はまた、分子が試験管内で相分離を起こすことを示すのは比較的簡単ですが、相分離が細胞内で機能していることを示すのははるかに難しいと警告しています。 「私たちはまだ多くのことを知りません」と彼は言いました。
ブランウィンは同意した。 「正直に言うと、まだフィールド全体が手を振る段階にある」と彼は言った。 「これがどのように機能するかを理解するのは、まだ始まったばかりです。手で波打っているという事実は、液相分離が重要な推進力ではないという意味ではありません。実際、そうだと思います。しかし、実際にはどのように機能するのでしょうか?」
不確実性も、ハイマンを落胆させるものではありません。 「相分離によって誰もができることは、立ち往生していた古い問題を振り返り、考えることです。これについて別の方法で考えることができるでしょうか?」彼は言った。 「行われた構造生物学はすべて素晴らしいものでしたが、多くの問題が行き詰まりました。彼らは実際に物事を説明できませんでした。そしてそれが相分離によって可能になったことであり、誰もがこれらの問題について再考することです。」
この記事は Wired.com に転載されました。
