Упорядоченный хаос: как клетка организует сама себя

Если смотреть на клетку в микроскоп, она выглядит как упорядоченный город: есть ядро, есть митохондрии, есть разные органеллы, каждая на своём месте. Но если приблизить картинку сильнее — до уровня отдельных молекул — вместо города покажется скорее что-то похожее на броуновское движение: белки носятся в случайных направлениях, сталкиваются, разлетаются, потом снова сходятся. На фоне этого непрерывного молекулярного хаоса клетка каким-то образом умудряется проводить точные биохимические реакции в строго определённых местах. Как? Ответ на этот вопрос за последние десять лет превратился в одно из самых горячих направлений клеточной и молекулярной биологии, и подробнее об этом рассказал Евгений Шеваль – доктор биологических наук, заведующий лабораторией ультраструктуры клеточного ядра Института физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ. Клетка — не раствор Долгое время в биологии господствовало представление о клетке как о пространстве, где реакции происходят будто бы в растворе — молекулы диффундируют, встречаются, и так проходит взаимодействие. Картина удобная, но не вполне точная: дело в том, что в растворе эффективность биохимических реакций зависит от концентрации участников. Чем разбавленнее среда, тем реже молекулы встречаются и тем медленнее идут процессы внутри среды. Клетка не может себе позволить такую неэффективность: в ядре одновременно должны происходить тысячи высокоточных процессов — удвоение ДНК, синтез РНК, упаковка хромосом, ответ на стресс, — и каждый из них требует, чтобы нужные молекулы оказались в нужном месте в нужный момент. Решение, которое выработала эволюция, состоит в пространственном разделении: разные процессы должны идти в разных зонах, а не во всём внутриклеточном пространстве сразу. Часть этих зон клетка создаёт с помощью мембран — тончайших липидных оболочек толщиной около десяти нанометров, которые отграничивают внутреннее пространство органеллы от остального содержимого клетки. Митохондрии, лизосомы, эндоплазматический ретикулум — всё это мембранные компартменты, замкнутые среды с собственным составом молекул, собственной кислотностью и условиями для протекания реакций. ​ Несмотря на кажущуюся универсальность мембран, в ядре клетки мембранных структур почти нет. Ядро — это огромное, по клеточным меркам, пространство, внутри которого должны слаженно протекать тысячи молекулярных процессов, и никаких перегородок там не предусмотрено. Это означает, что клетка давно выработала другой механизм пространственной организации — не мембраны, а нечто принципиально иное. Структуры без оболочки Биологи давно знали, что в ядре есть видимые структуры, которые явно не окружены мембраной. Наиболее крупная и заметная из них — ядрышко, тёмное плотное образование, хорошо различимое даже в обычный световой микроскоп. Долгое время считалось, что подобных структур немного и что они — это скорее частные случаи, нежели общий принцип организации. Однако в последние десять-пятнадцать лет картина резко изменилась: оказалось, что безмембранных структур в клетке огромное количество, они есть практически везде, и понять, как они работают, значит понять, как вообще устроена клетка. ​​ Сегодня эти образования называют биомолекулярными конденсатами. Старое название «безмембранные органеллы» было неточным — структуры оказались настолько разными по размеру, составу и поведению, что называть их «органеллами» можно было с натяжкой. Некоторые из них достаточно крупные, чтобы их увидеть под микроскопом, другие совсем маленькие и обнаруживаются только косвенно — по тому, что в определённом месте в клетке оказывается слишком много конкретных молекул. ​​ Объединяет все эти структуры один и тот же принцип формирования: фазовое разделение. Это физический процесс, при котором молекулы при определённых условиях перестают равномерно распределяться по объёму и начинают самопроизвольно слипаться — образовывать более концентрированную фазу внутри менее концентрированной. Обе фазы существуют рядом, обмениваются молекулами, но не смешиваются полностью — примерно так же, как масло и вода. В клетке этим «маслом» оказываются конденсаты, а «водой» — ядерный или цитоплазматический раствор. ​ Борщ как модель клетки Самая точная бытовая аналогия для биомолекулярных конденсатов — это борщ. На поверхности борща плавают капли жира. Сам борщ красного цвета — потому что в нём растворён краситель (бетаин), который хорошо смешивается с водой. А капли жира оранжевые — потому что в них концентрируется другой краситель (каротин), тот, который растворяется в жиру. Два красителя, одна тарелка, но они чётко разделены по фазам. ​ В клетке работает тот же принцип: биомолекулярный конденсат — это «жировая капля», которая обособилась от общей среды ядра, и в ней накапливаются именно те молекулы, которые предпочитают среду этой «капли». Такие молекулы называют «клиентами» конденсата: они не формируют конденсат, они просто лучше растворяются в этой среде и поэтому концентрируются здесь. Именно благодаря накоплению таких молекул-клиентов у биомолекулярных конденсатов возникает огромное число дополнительных функций — часто совершенно неожиданных с точки зрения исходного предназначения структуры. ​ Важно, что граница конденсата не является твёрдой: в отличие от мембраны, она не закрыта. Молекулы могут входить и выходить свободно, «капля» динамически обменивается содержимым с окружающей средой. Это делает конденсат живым, постоянно меняющимся образованием — и одновременно ставит вопрос: если молекулы могут так легко перемещаться, как конденсат вообще существует? ​ Невероятная скорость молекул Вот как выглядит реальность внутри клеточного ядра, которую удалось увидеть с помощью современных методов прижизненной микроскопии: белки не находятся на своих рабочих местах в ожидании задания. Они непрерывно движутся — стохастически, случайным образом, во всех направлениях. Отдельный белок может оказаться в любой части ядра просто потому, что диффундирует туда случайно. Где-то он наталкивается на нужную молекулу или структуру, связывается с ней, начинает выполнять свою функцию, потом отсоединяется и снова носится по ядру. ​ Это представление поначалу казалось несовместимым с идеей упорядоченной клеточной биологии. Если молекулы двигаются случайно, как вообще возможна точность биохимических процессов? Например, репликации ДНК требует точного взаимодействия десятков специализированных белков, но как это возможно в ситуации, когда ни одна молекула не стоит на месте? Ответ состоит именно в конденсатах: они создают локальную концентрацию нужных молекул. Белки, которые участвуют, например, в репликации, не обязаны постоянно находиться рядом с точкой репликации — достаточно, чтобы соответствующий конденсат возник в момент протекания процесса именно там и обеспечил накопление наобходимых молекул. Молекулы приходят случайно, но там, где их ждёт конденсат, они задерживаются дольше — и эффективная концентрация в этой зоне резко возрастает. Стохастичность движения не исчезает, но она немного замедляется в определённых зонах, потому что конденсат превращает случайное блуждание молекулы в её направленную работу. ​​ Ядрышко: от простой фабрики к клеточному центру Ядрышко — самый известный пример биомолекулярного конденсата. Оно занимает значительную часть ядра и хорошо видно под микроскопом — для его изучения не нужно дорогостоящее специализированное оборудование, достаточно обычного светового. Неудивительно, что ядрышко стало одним из важнейших объектов, на котором разрабатывали концепцию биомолекулярных конденсатов. ​ Основная, «каноническая» функция ядрышка — синтез прерибосомной РНК. Рибосомы — это молекулярные машины, которые строят белки по инструкции, закодированной в матричной РНК. Для работы каждой рибосомы нужна рибосомная РНК, и её производство требует огромных мощностей: порядка 70% всей синтезируемой в клетке РНК — это именно рибосомная. Ядрышко концентрирует весь этот синтез в одном месте, где молекулы-предшественники (прерибосомные РНК) производятся, а затем постепенно дозревают — проходят через несколько стадий процессинга, шаг за шагом превращаясь в функциональные рибосомы. ​ Процесс созревания устроен изящно: он происходит не мгновенно и не в одной точке, а как бы «по дороге» изнутри ядрышка к его периферии. Молекулы синтезируются во внутренней части, постепенно меняются по мере движения к краю и в конце концов покидают ядрышко и выходят в цитоплазму уже в готовом виде. Это делает структуру ядрышка пространственно асимметричным: его разные зоны выполняют разные этапы одного процесса. ​ Почему ядрышко оказалось намного интереснее, чем думали Но фабрика рибосомных РНК — это лишь одна сторона. Когда биологи начали внимательнее изучать состав ядрышка, выяснилось, что там накапливается огромное количество молекул, которые, казалось бы, вообще не имеют отношения к синтезу рибосом. Белки клеточного цикла, белки, отвечающие за ответ на стресс, молекулы, связанные с онкогенезом, РНК самой разной природы — всё это обнаружилось внутри ядрышка. Механизм их присутствия там объясняется принципом «клиентов»: эти молекулы лучше растворяются в среде ядрышкового конденсата, из этого следует факт их накопления. ​ Последствия оказались любопытными: ядрышко превратилось в своего рода клеточный хаб — место, где случайно сходятся совершенно разные молекулярные события. Например, оно стало работать как сенсор стресса: когда клетка оказывается в неблагоприятных условиях и в ней начинают появляться повреждённые или неправильно свёрнутые белки, они накапливаются в ядрышке, изолируясь от остального содержимого клетки, — своего рода молекулярный карантин. Это снижает токсическую нагрузку на остальные процессы и даёт клетке время либо восстановить белок, либо утилизировать его. ​ Связь с онкологией тоже оказалась вполне реальной: многие онкобелки — те, которые возникают в результате мутаций при злокачественном перерождении клетки, — обнаруживаются в ядрышке в повышенных концентрациях. Такие белки просто имеют структурные свойства, которые делают их хорошими «клиентами» ядрышкового конденсата. А значит, понять, как организован конденсат и как меняется его состав при болезни, — это и есть путь к пониманию того, как именно начинаются некоторые патологические процессы, включая онкологию. Неупорядоченные как основа порядка Что же заставляет молекулы собираться в конденсат? Как из случайного движения может возникнуть устойчивая структура? Постепенно ответ стал вырисовываться перед исследователями, и он оказался связан с особой категорией белков или участков белков, которым долгое время не придавали особого значения. У большинства белков есть чётко определённая трёхмерная структура — упаковка, которая сложилась под действием физических сил и определяет, с чем именно белок может взаимодействовать. Эта структура задаёт функцию: «ключ к замку», как иногда говорят биологи. Однако у большей части белков в клетке есть участки — иногда довольно длинные, — которые никакой определённой структуры не имеют. Они постоянно меняют форму и не фиксированы в одном положении. Такие участки называют внутренне неупорядоченными регионами, или IDR (intrinsically disordered regions).​ Проще говоря, конденсат — это не замёрзшая структура, скреплённая прочными химическими связями, а что-то вроде сети из слабых, постоянно рвущихся и восстанавливающихся контактов. Отдельная молекула может уйти из конденсата в любой момент — и всё же конденсат как целое сохраняется, потому что новые молекулы постоянно приходят на место ушедших. Это не похоже кристалл или гель, а напоминает скорее жидкость внутри жидкости, граница которой определяется статистикой взаимодействий, а не привычной ограничивающей мембраной. Когда структура опережает функцию Одно из самых неожиданных открытий, к которому привело изучение конденсатов, касается причинно-следственной логики в клетке. Долгое время предполагалось, что структура возникает там, где идут её процессы: есть репликация ДНК — появляется репликационный конденсат, есть синтез РНК — собирается транскрипционный конденсат. Структура как следствие функции. Но в ряде случаев это оказалось не так. Конденсат формируется первым — и уже его появление запускает или активирует процесс, который иначе бы не начался или шёл значительно медленнее. Клетка не просто реагирует на биохимические события — она создаёт пространственные условия, которые делают определённые события возможными.​ Изменение состава или свойств конденсата — например, под действием мутации в IDR одного из структурообразующих белков — может нарушить весь процесс, который зависит от существования этой структуры. Известно, что целый ряд патологий, при которых клеточные процессы идут неправильно, может быть связан именно с изменениями в конденсатах, а не с непосредственными нарушениями в рабочих молекулах. Эволюция клетки изнутри Тема конденсатов неожиданно открыла новый угол зрения на эволюцию клетки. Бактерии — самые простые из ныне живущих клеточных организмов — устроены значительно проще: у них нет ядра, намного меньше мембранных органелл, но и у бактерий можно найти что-то похожее на конденсаты — примитивные аналоги этих структур. Это означает, что фазовое разделение как принцип пространственной организации очень древнее — возможно, оно появилось ещё до мембранных компартментов.​ Когда клетки усложнялись в ходе эволюции, развивалась и их система конденсатов. Появлялись новые IDR-содержащие белки, возникали новые типы конденсатов с новыми функциями, усложнялась трёхмерная организация ядра. Отслеживать эту эволюцию теоретически возможно: геномные данные для тысяч организмов уже накоплены, транскриптомы доступны для анализа, а значит, можно сравнивать IDR у разных видов — и по их изменениям восстанавливать, как менялась внутренняя архитектура клетки на протяжении миллиардов лет. ​ Это амбициозная программа, которая пока только разворачивается, но уже сейчас понятно, что конденсаты — не частная деталь клеточного устройства, а один из ключевых уровней, на котором происходит эволюция сложности. Изменить форму клетки или её размер эволюции относительно просто. Изменить трёхмерную организацию ядра — сложнее, но это изменение может иметь самые далеко идущие последствия вроде контроля над тем, какие гены экспрессируются, когда и где. ​​ Куда это всё ведёт Практические последствия от понимания конденсатов начинают формировать уже не только статьи, но и патенты — верный признак того, что фундаментальные открытия готовятся к выходу в технологическое применение. Если нарушение работы конденсатов лежит в основе ряда онкологических заболеваний, то возможность направленно менять их состав или подавлять их сборку открывает принципиально новый класс терапевтических мишеней. Несколько болезней уже охарактеризованы именно с этой точки зрения: онкобелки, запускающие опухолевый рост через образование конденсатов, оказались вполне конкретными молекулами с понятным механизмом действия. ​ Другое важное направление — нейродегенеративные заболевания. Болезни Паркинсона, Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз связаны с накоплением неправильно свёрнутых белков — и у многих из этих белков есть IDR. Сейчас становится яснее, что первый шаг к патологическому агрегату нередко проходит именно через стадию конденсата: молекулы сначала собираются в нормальную жидкую каплю, но затем что-то идёт не так — и капля переходит в гелеобразное или твёрдое состояние, которое клетка уже не может растворить. Для исследователей наблюдение за патологиями внутри конденсата принципиально меняет понимание того, где искать отправную точку терапевтического вмешательства у пациентов. Наконец, важен сам методологический сдвиг, который происходит в биологии. Клетка всё дольше описывается не как набор молекул с фиксированными функциями, а как динамическая, постоянно перестраивающаяся система, где пространственная организация является таким же уровнем регуляции, как последовательность генов или активность ферментов. Понять клетку — значит понять не только, какие молекулы в ней есть, но и где они находятся, и как их состояние меняется в зависимости от обстоятельств. Конденсаты оказались частью ответа на вопрос, который долго оставался в тени: как из молекулярного хаоса возникает порядок — без мембран и жёстких границ через физику взаимодействий.