Los científicos del Instituto de Investigación Scripps (TSRI) han resuelto un misterio celular que puede tener importantes implicaciones para la biología fundamental y enfermedades como la ELA. Su nueva investigación sugiere que el ARN puede ser el ingrediente secreto que ayuda a las células a ensamblarse. organizar la arquitectura interna, y finalmente disolver los compartimentos dinámicos en forma de gotitas.

Estas estructuras en forma de gotitas se conocen comúnmente como orgánulos sin membrana, y son clave para cómo las células compartimentan su bioquímica y regulan procesos como la expresión génica y la respuesta al estrés.

Durante 200 años, Los científicos han sabido de la existencia de orgánulos sin membrana en las células y se preguntan cómo se regulan. Estudios recientes sugirieron que el aumento de la fracción de ARN puede conducir a la formación de gotas de proteína-ARN mediante un proceso llamado separación de fase líquido-líquido.

"Es básicamente el mismo tipo de fenómeno de inmiscibilidad que hace que el aceite forme gotitas en el agua, ", dijo el profesor asociado de TSRI, Ashok Deniz, quien codirigió el estudio publicado recientemente en la revista Angewandte Chemie como un artículo muy importante (VIP). "Si bien varias fuerzas biomoleculares débiles dan como resultado colectivamente la formación de gotas de proteína-ARN, En este estudio, nos centramos en un tipo particular:interacciones electrostáticas impulsadas por biomoléculas con carga opuesta. Un descubrimiento importante fue que un mayor aumento en la concentración de ARN puede disolver estas gotitas, devolviendo una fase líquida homogénea ".

La velocidad a la que se forman y se disuelven estas gotas puede ser clave para la supervivencia celular. "Las gotitas pueden formarse y disolverse según sea necesario, que permite que las células se adapten muy rápidamente al estrés celular, "dijo la investigadora asociada Priya Banerjee, quien codirigió el estudio y se desempeñó como coautor principal con los estudiantes graduados Anthony N. Milin y Mahdi Muhammad Moosa de TSRI.

El nuevo estudio sugiere que la carga negativa de las moléculas de ARN es clave tanto para crear como para disolver gotas. "El ARN es como un agente doble, "dijo Banerjee.

Cómo se forman y desaparecen las gotas

El ARN tiene una carga negativa general. Cuando inicialmente entra en contacto con proteínas cargadas positivamente, las moléculas de carga opuesta se atraen entre sí. Juntos, crean un ensamblaje molecular y forman gotas líquidas. Estas gotitas permiten que las células lleven a cabo funciones importantes.

Los investigadores también encontraron que las gotas se disuelven rápidamente cuando se aumenta el ARN en el sistema.

"Agregar más ARN a este sistema altera el delicado equilibrio entre las cargas negativas y positivas, lo que lleva a la formación de ensamblajes cargados negativamente que ahora se repelen entre sí, disolviendo así la gota, "dijo el coautor del estudio Paulo L. Onuchic, estudiante de posgrado en el laboratorio Deniz.

Este hallazgo único arroja luz sobre una vía reguladora inesperada. La investigación también desafía la concepción anterior de que las fuerzas biomoleculares que crean gotas deben revertirse para disolverlas. En lugar de revertir el proceso, ya sea mediante la eliminación de ARN o la modificación postraduccional de la proteína para destruir su carga positiva, los investigadores encontraron que el sistema puede simplemente agregar más ARN para disolver una gota.

"El comportamiento similar a una ventana de la formación de gotas como una función de la concentración de ARN observado aquí exhibe una ruta unidireccional que puede ser explotada por las células usando procesos como la transcripción, "dijo Banerjee.

En experimentos posteriores, El equipo demostró que la síntesis de ARN mediante mecanismos celulares de hecho forma y disuelve estas gotitas.

Creación de gotas "huecas"

El hecho de que el ARN pueda disolver gotas les dio a los investigadores una oportunidad única de controlar la adición de ARN y observar el proceso de disolución. "Para nuestra sorpresa, en lugar de un simple proceso de disolución de gotas, observamos la formación de esferas huecas en el interior de las gotitas. Dando un paso atrás ves que al agregar más ARN, estamos creando gotas de baja densidad dentro de gotas de alta densidad, "dijo Deniz.

Deniz comparó este fenómeno con un cubo de hielo que se derrite desde el interior. Curiosamente, estas gotitas internas, llamadas vacuolas, se asemejan a las complejas subestructuras internas que se observan típicamente en una serie de orgánulos celulares similares a gotas.

"La clave para crear vacuolas es esta transición unidireccional de un líquido homogéneo inicial a dos fases líquidas inmiscibles y de regreso a una fase homogénea simplemente aumentando la fracción de ARN, "añadió Banerjee.

El equipo pasó a probar si estos hallazgos se aplicarían a una proteína clave que se encuentra en los gránulos de estrés, importantes orgánulos en forma de "gotitas" que protegen las células durante el estrés. Investigaron una proteína de unión a ARN llamada FUS, que ha sido implicado en ELA.

"Con FUS, Descubrimos que el ARN puede formar y disolver gotitas de la misma manera que el sistema modelo más simple. Notablemente, Las gotas de FUS también exhibieron complejas subestructuras internas, que allana el camino para determinar el papel biológico de estas vacuolas, "dijo Milin.

Si bien esta investigación aún se encuentra en sus primeras etapas, los investigadores creen que las mutaciones en FUS pueden interferir en la dinámica normal de las gotitas en algunos pacientes con ELA, posiblemente impidiendo que sus células se enfrenten adecuadamente al estrés celular.

El trabajo abre una serie de vías para futuras investigaciones en biología celular y enfermedades, incluyendo estudios cuantitativos de este tipo específico de transición de fase en otros sistemas biológicos, comprender los determinantes moleculares en proteínas y ARN que controlan la dinámica de las gotas, y estudios adicionales de patrones complejos de gotitas.