معلومة

ج 8. حبيبات وقطرات ملزمة داخل الخلايا - علم الأحياء

ج 8. حبيبات وقطرات ملزمة داخل الخلايا - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد درسنا أنواعًا مختلفة من تراكم البروتين ، بما في ذلك تجميع الحالة الأصلية (لتشكيل الثنائيات ، والقصاصات ، والمتعددة ، والخيوط) أو المطابقات البديلة (مثل تجميع بروتين البريون وتشكيل أجسام متضمنة للبروتينات غير المطوية). لقد رأينا جزيئات مماثلة ، قطرات دهنية ، تحتوي على TAGs وإسترات الكوليسترول المحاطة بطبقة أحادية من الفوسفوليبيد مع بروتين ممتز ، تمت ترقيتها أيضًا إلى حالة العضية (على عكس التخفيض الأخير لكوكب بلوتو إلى كوكب قزم أو بلوتويد. ). ومع ذلك ، فإن القطرة الدهنية محاطة بـ "غشاء" ، يكون في هذه الحالة أحادي الطبقة.

كيف تتشكل هذه الحبيبات وغيرها. تظهر مراجعة سريعة للدليل التعليمي الخاص بالخلية (التمرير إلى الأسفل) أن تكوين الحبيبات يمكن أن يكون ناتجًا عن "انتقال طور" كلاسيكي ، على عكس المياه الغازية التي يمكن أن ترتبط ذاتيًا من خلال الروابط الهيدروجينية لتكوين قطرات سائلة يمكن أن تتجمد مع تكوين المزيد من الروابط الهيدروجينية لتشكيل المواد الصلبة. يمكن للجزيئات الحيوية القابلة للذوبان في الخلايا أن تتجمع بشكل عكسي من خلال تجميع عدة صناديق IMF ضعيفة لتشكيل حبيبات التخزين. قد يتم اضطراب هذا التوازن إذا تجمعت حبيبات التخزين بشكل أكبر في عملية لا رجعة فيها محتملة مع عواقب صحية. لقد رأينا أمثلة على هذا الأخير عند الأمراض التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر ومرض جنون البقر. دعنا نتعمق في رؤى جديدة حول العمليات المتضمنة في تكوين القطيرات.

قسم صيف 2017

تخيل كميات صغيرة من زيت قابل للذوبان يضاف إلى محلول مائي. في البداية يكون في محلول ، ولكن عند التركيز الأعلى ، فإن قوى تشتت لندن و "التأثير الكارثي للماء" ستخرج الزيت من المحلول إلى قطرات سائلة. يمكن أيضًا استدعاء فصل الطور هذا مزج السائل السائل كسائلين منفصلين (الزيت المذاب في الماء وقطرات الزيت المنفصلة). وقد ثبت أن هذه العملية تنتج أنواعًا عديدة من القطرات غير المرتبطة بالغشاء (يجب عدم الخلط بينها وبين الحويصلات المرتبطة بالغشاء) في الخلية.

شوهدت هذه الظاهرة أيضًا مع البروتينات المضطربة جوهريًا. تتميز بتراكيب غير متبلورة مع أحماض أمينية متكررة موجبة الشحنة في كثير من الأحيان. في ظل الظروف الصحيحة ، يمكن أن تتجمع هذه العناصر و "تترسب" من المحلول. ما هي طبيعة المادة المترسبة؟ قد يكون لها خصائص أشبه بقطرات سائلة مميزة لذلك يمكن استدعاء هذه العملية مزج السائل السائل.

قد تتضمن خصائص القطرات المنزوعة الخلط معدلات مخفضة لانتشار المادة إلى خارج القطرة ، وحركات مقترنة للمواد في القطرة ، واحتمال ضعف التجميع المعتمد على الماء مما يجعل القطرات حساسة لعوامل مثل المنظفات. لوحظ الانتشار الشبيه بالسائل داخل القطرة كما يتضح من الاسترداد السريع للفلورة من المكونات الداخلية المبيضة جزئيًا للقطرة.

كما هو الحال مع تكوين مادة صلبة بلورية من محلول سائل ، يجب بذر العملية. بالنسبة للبروتينات المضطربة جوهريًا ، يمكن "تحفيز" هذه العملية بواسطة بولي (ADP-ribose) ، وهو بوليانيون يشبه الحمض النووي. ستواجه الشحنات السالبة الشحنات الإيجابية في مجال البروتين المضطرب ، والتي بدون تحييد ، من شأنها أن تتداخل مع اتصالات البروتين / البروتين اللازمة لتكوين التجميع / القطيرات وإزالة المزج. قد ينشأ التجمع في هذه الحالات من التفاعلات الكارهة للماء (على الرغم من أن السلاسل الجانبية الكارهة للماء ممثلة تمثيلاً ناقصًا في المجالات المضطربة).

تعد قابلية ذوبان البروتينات في الخلايا موضوعًا رائعًا في حد ذاته. اكتشف مؤخرًا أن التركيز العالي لـ ATP (5 ملي مولار) في الخلية يساعد في الواقع على إذابة البروتينات. يعتبر ATP محلا مائيا. إنه جزيء صغير به جزء قطبي متميز متنوع (متعدد الفوسفات والريبوز) وجزء غير قطبي (حلقة الأدينوزين). ومن ثم فهو يعمل نوعًا ما كمنظف صغير (أمفيبل) لكنه لا يشكل المذيلات. إنه يساعد في تثبيت المزيد من الأجزاء غير القطبية من البروتينات في المحلول وقد ثبت أنه يمنع تكوين الركام ويفصل أيضًا بعض الركام.

إدراج: ارسم هيكل ATP وصورة لحظة كارهة للماء

يستخدم علماء الكيمياء الحيوية أيضًا مصطلح هلام (تشمل الأمثلة هلام بولي أكريلاميد أو جلطات الفيبرين الدموية التي يتم ربطها كيميائيًا) وهلام في الجل إلى انتقالات الطور البلوري السائل في طبقات ثنائية الدهون ، يتم تثبيتها معًا بواسطة تفاعلات غير تساهمية ضعيفة) ، عندما يرغبون في ذلك وصف بنية ليست صلبة ولا سائلة بشكل واضح. سيكون هيكل مثل الهيكل الخلوي أو شبكة الأكتين والميوسين أمثلة على الأخير.

تتميز المواد الهلامية غير التساهمية بتفكك تنظيمي للوحدات الفرعية وبالتالي عمر نصف قصير. يمكن أن يسمى الهلام (سواء التساهمي أو غير التساهمي) الذي يحتوي على نسبة عالية من الماء بهيدروجيل الذي يحتوي على مكونات محبة للماء. ومن الأمثلة على ذلك الجزيئات المحتوية على بروتين الحمض النووي الريبي

حبيبات الحمض النووي الريبي

تحتوي العديد من الحبيبات على الحمض النووي الريبي والبروتينات وتسمى أجسام البروتينوكليوبروتين (RNPs) أو حبيبات الحمض النووي الريبي. ومن الأمثلة المحددة على ذلك أجسام المعالجة السيتوبلازمية ، والحبيبات العصبية والجرثومية ، وكذلك أجسام Cajal النووية ، والنوى والنقاط / الأجسام النووية). تحتوي بعض الحبيبات على بروتينات فقط ، بما في ذلك أجسام متضمنة مع بروتينات متراكمة وسوء الطي وتلك التي تحتوي على بروتين نشط يشارك في التخليق الحيوي ، بما في ذلك البيورينوسوم (للتخليق الحيوي للبيورين) والسليوزومات (لتدهور السليلوز).

توجد ميزة أخرى في بعض أمراض التنكس العصبي وهي تكرار ثلاثي النوكليوتيدات. في متلازمة Fragile X ، هناك 230-4000 تكرار لكودون CGG في الأجزاء غير المشفرة من الجينوم ، مقارنة بأقل من 50 في الجين الطبيعي. في مرض هنتنغتون ، تم العثور على CAG المتكرر في جزء ترميز البروتين من الجين المصاب. يحتوي البروتين المترجم على سلسلة من الجلوتامين والتي من المحتمل أن تسبب تراكم البروتين. قد ترتبط بروتينات معينة أيضًا بسلسلة CAGs.

إذا كان توسع ثلاثي النوكليوتيدات في DNA intronic ، فإن التأثيرات الضارة لا ترتبط بالبروتينات المترجمة ولكن مع RNA المنسوخ في النواة. سيتم تقطيع التكرارات intronic خارج نسخة RNA الأولية. سيؤدي تكرار CTG DNA إلى إنتاج بولي CUG يحتوي على RNAs (الموجود في ضمور التوتر العضلي) ، والذي يمكن أن يتجمع من خلال الاقتران الأساسي غير المثالي. تُظهر التجربة في المختبر أن المجمعات الصغيرة قابلة للذوبان ، ولكن مع زيادة الحجم ، يمكن أن يحدث فصل طور مزج سائل-سائل (أو بدلاً من ذلك انتقال هلام سائل) ، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات RNA كروية. هذا من شأنه أن يفسر ملاحظة أن الأمراض تحدث فوق طول تكرار معين. في حالة وجود بروتينات غير مطوية أيضًا ، فقد تتحد هذه الجسيمات لتشكيل مواد هلامية أكبر.

في تجربة التحكم ، عندما تم خلط التكرارات ، لم يتم ملاحظة إزالة المزج وتشكيل الجسيمات الكروية. في تجربة مشابهة لإضافة 1،6-hexanediol إلى البروتينات المضطربة جوهريًا ، إذا تكرر ثلاثي النوكليوتيد الصغير المضاد للتردد ، مثل (CTG) 8 ، والذي يمكن أن يتداخل مع روابط H الضعيفة بين G و C في المجاميع ، تم تقليل حجم قطرات الحمض النووي الريبي (البؤر). أظهرت التجارب في الجسم الحي بنى مميزة تشبه القطرة ولكن فقط إذا كانت التكرارات ذات حجم كافٍ.

وجد الباحثون أنه في المختبر ، تم تثبيط تكوين قطرات الحمض النووي الريبي بواسطة الكاتيونات أحادية التكافؤ. في وجود 0.1 M خلات الأمونيوم ، التي تتخلل الخلايا دون التأثير على الرقم الهيدروجيني ، اختفى 47 × CAG RNA قطرات في المختبر.

قد يكون تجميع الرنا المرسال إحدى الطرق لتنظيم ترجمتها وبالتالي تنظيم نشاط الجين بشكل غير مباشر. هناك مزايا لتنظيم ترجمة البروتين من الرنا المرسال ، خاصة إذا كان من الممكن تنظيم "نشاط" الرنا المرسال ديناميكيًا. سيكون هذا مفيدًا إذا كانت هناك حاجة على الفور لتخليق بروتين جديد. ومن ثم فإن إحدى طرق تنظيم نشاط الرنا المرسال (بخلاف التدهور) هي من خلال التجميع القابل للانعكاس.

قطرات البروتين والحبيبات

يمكن أن توجد بروتينات الهيكل الخلوي الأكتين والتوبولين (مغاير السلاسل ألفا وبيتا) في حالات قابلة للذوبان (بالقياس إلى غاز الماء) أو في حالة خيطية مكثفة (خيوط أكتين وأنابيب دقيقة على التوالي). التحلل المائي GTP مطلوب لتشكيل التوبولين. الأكتين يربط ATP وهو ضروري لتكوين الفتيل ولكن انقسام ATP مطلوب لإزالة البلمرة. ومن ثم فإن ربط النوكليوتيدات / التحلل المائي ينظم توازن الخيوط الذي يميز عن تغيرات المراحل البسيطة مثل الماء.

نظرًا لأن بروتينات معينة فقط هي التي تشكل حبيبات ، فيجب أن يكون لها ميزات هيكلية مماثلة تسهل تفاعلات الارتباط القابلة للعكس. يبدو أن هناك العديد من المواقع التي تحتوي على هذا البروتين والتي تشكل بشكل فردي تفاعلات ارتباط ضعيفة ، ولكن بشكل جماعي من خلال تفاعلات ربط متعددة التكافؤ (متعددة) تسمح بتكوين حبيبات قوي ولكن غير قابل للانعكاس. فيما يلي بعض خصائص البروتينات الموجودة في الحبيبات:

  • يحتوي البروتين NCK على 3 مجالات متكررة (SH3) وهو الارتباط بالزخارف الغنية بالبرولين (PRMs) في البروتين NWASP. تشارك هذه البروتينات في أكتين بوليمريزيتون. في التركيز العالي تترسب من المحلول وتتحد لتشكل قطيرات أكبر ؛
  • تم العثور على مجالات التفاعل المتكرر على نطاق واسع خاصة بين بروتينات ربط الحمض النووي الريبي ؛
  • تحتوي بعض البروتينات على تكرارات Phe-Gly (FG) مفصولة بأحماض أمينية محبة للماء في أجزاء من البروتين مختلة جوهريًا.
  • مشتق معالج بيوتينيل من 5-aryl-isoxazole-3-carboxyamide (البنية أدناه) يترسب البروتينات المخصبة في تلك التي تربط الحمض النووي الريبي (RBPs). بشكل عام ، كانت البروتينات المترسبة مضطربة جوهريًا تتميز بتسلسل منخفض التعقيد (LCS). احتوى أحد الأمثلة على 27 تكرارًا لتسلسل ثلاثي الببتيد (G / S) Y (G / S). يمكن أن تشكل البروتينات أيضًا هيدروجيلات (مصنوعة من البوليمرات المحبة للماء والروابط المتشابكة) والانتقال بين المراحل القابلة للذوبان والهلامية مع شبكات روابط هيدروجينية واسعة النطاق. أعطت مرحلة هلام الهيدروجيل أنماط حيود الأشعة السينية مشابهة لبروتينات الأميلويد المخصبة ببنية بيتا. قد تؤدي التفاعلات الضعيفة قصيرة المدى بين LCS بعد ذلك إلى تكثيف قابل للانعكاس إلى حالات تشبه الحبيبات الهلامية تتميز برابطة هيدروجينية واسعة النطاق (تشبه مرة أخرى الرابطة الهيدروجينية في تكوين الجليد). إذا ساءت هذه العملية ، فقد يحدث تكوين أكثر استمرارًا ولا رجعة فيه للألياف الصلبة (كما يظهر في الأمراض التنكسية العصبية) من حالة الهيدروجيل ؛

  • تظهر الحمض النووي الريبي في الحبيبات حيث يرتبط البروتين بها من خلال مجالات ربط الحمض النووي الريبي للبروتينات التي تتفاعل من خلال تسلسلات منخفضة التعقيد تؤدي إلى فصل الطور وتشكيل حبيبات تشبه الهيدروجيل. تم العثور على حوالي 500 بروتين ربط RNA في تفاعل RNA البشري. يتم إثراءها في LCSs ولديها عدد أكبر من التريوزينات مقارنة بالبروتينات المتوسطة في البروتين بأكمله الذي يوجد فيه Tyr غالبًا في شكل (G / S) Y (G / S). قد تؤدي الفسفرة في التيروزينات (Y) في LCS إلى تقليل الارتباط واستقرار الهيدروجيل.

نظرًا لأن العديد من الأمراض التنكسية العصبية مرتبطة بتجمعات البروتين غير المطوية / غير المطوية ، فإن تركيزات البروتين العالية في القطرات السائلة المحتوية على البروتين قد تسبب مشاكل للخلايا. إذا كان مرتفعًا بدرجة كافية ، فقد يتطور التوازن من انخفاض السائل إلى راسب صلب ، مما سيكون له عواقب خلوية وخيمة. قد يؤثر التقدم إلى الحالة الصلبة على الخلية بشكل لا رجعة فيه.

في القسم التالي ، 5D: الربط والتحكم في النسخ الجيني ، سوف نستكشف كيف يمكن أن يساعد المزج السائل السائل في شرح بنية الكروماتين وديناميكياته.


يجب أن يطور جنين أي كائن حي يتكاثر جنسيًا خلايا جرثومية ، مثل تلك التي تتحول إلى خلايا بويضة وحيوانات منوية في الحيوانات. هذا لأن هذه هي الخلايا الوحيدة المقدر لها نقل المادة الجينية إلى الجيل التالي. تتمثل إحدى خصائص تطور الخلايا الجرثومية في وجود جزيئات تسمى "حبيبات جرثومية" (Voronina et al. ، 2011). يُعتقد أن هذه الحبيبات مصنوعة من جزيئات مختلفة من الحمض النووي الريبي والبروتين ، وهي تنظم ترجمة جزيئات الحمض النووي الريبي المرسال (mRNA) داخل الخلايا الجرثومية أثناء التطور (Seydoux and Braun، 2006).

يتم حفظ العديد من المكونات الموجودة في الحبيبات الجرثومية بين الأنواع ذات الصلة البعيدة. وقد اشتملت الدراسات في هذا المجال بشكل شائع على الدودة المستديرة أنواع معينة انيقة، والتي ، مثل الحيوانات الأخرى ، تبدأ حياتها كبويضة واحدة مخصبة أو زيجوت. في البداية ، تنتشر الحبيبات الجرثومية بشكل موحد في جميع أنحاء هذه الخلية. ومع ذلك ، عندما تبدأ البيضة الملقحة في تكوين جبهة وخلفية مميزة ، توجد الحبيبات الجرثومية فقط في الجزء الخلفي من البيضة الملقحة: وهذا هو السبب في أن حبيبات الجرثومية في C. ايليجانس تسمى حبيبات P (حيث تكون "P" قصيرة للنسب P للخلايا التي تتشكل في الخلف). تتكرر هذه العملية أثناء الانقسامات الخلوية الإضافية ، بحيث تستمر حبيبات P في الانفصال في تلك الخلايا التي ستؤدي في النهاية إلى ظهور الخلايا الجرثومية. الآن ، في eLife ، أبلغ جيرالدين سيدو وزملاؤه في كلية الطب بجامعة جونز هوبكنز - بما في ذلك جاريت سميث كمؤلف أول - كيف يتحكم بروتينان مرتبطان بالـ RNA لهما تأثيرات معاكسة حيث تتشكل حبيبات P (Smith et al. ، 2016).

استندت التفسيرات المبكرة لسبب فصل حبيبات P بشكل غير متماثل على فكرة أنه تم نقلها بنشاط إلى النصف الخلفي. ومع ذلك ، منذ بضع سنوات ، لوحظ أن البروتينات الموجودة في الحبيبات الجرثومية يمكن أن تختلط تلقائيًا من السيتوبلازم وتتحد لتشكل حبيبات جرثومية (Brangwynne et al. ، 2009). هذه الظاهرة ، التي تسمى انتقال الطور ، تشبه كيفية تشكل قطرات الزيت عند خلط الزيت بالماء. ومع ذلك ، فقط الحبيبات التي تشكلت في الجزء الخلفي من البيضة الملقحة كانت مستقرة في C. ايليجانس، واختفت بدلاً من ذلك أي حبيبات بدأت في التكون في النصف الأمامي.

تنمو حبيبات P فقط في الجزء الخلفي ، جزئيًا ، لأن التدرج في البروتينات المرتبطة بالـ RNA يقيد بطريقة ما مكان تكوّنها (Griffin et al. ، 2011 Schubert et al. ، 2000). يثير هذا بعض الأسئلة: كيف يتم تحويل التدرج البروتيني إلى مفتاح تشغيل-إيقاف لتشكيل حبيبات P؟ وما الذي يؤدي إلى انتقال الطور بحيث تكون حبيبات P مستقرة فقط في الجزء الخلفي؟

تحتوي بعض البروتينات في الحبيبات الجرثومية على "مناطق مضطربة جوهريًا" تفتقر إلى بنية ثلاثية الأبعاد محددة جيدًا (Kato et al.، 2012 Courchaine et al.، 2016 Hyman et al.، 2014). سميث وآخرون. أظهر الآن أن بروتينين مرتبطين جوهريًا مرتبطين بالـ RNA - وهما MEG-3 و MEG-4 المتماثل - يكمنان في قلب تكوين الحبيبات P ، وأن MEG-3 ضروري لتكوين حبيبات جرثومية. في المختبر ، سيتم تجميع MEG-3 تلقائيًا في مجاميع ، ولكن فقط بتركيزات أعلى من تلك الموجودة في الزيجوت (الشكل 1). ومع ذلك ، سميث وآخرون. اكتشف أن انتقال الطور هذا قد تم تعزيزه عند وجود الحمض النووي الريبي. على هذا النحو ، فإن تغيير مستويات الحمض النووي الريبي في أنبوب الاختبار أو في البيضة الملقحة يمكن أن يتغير متى وأين تتشكل حبيبات P. سميث وآخرون. أظهر أيضًا أن بروتينًا آخر مرتبطًا بـ RNA يسمى MEX-5 (وهو ليس مكونًا من حبيبات P) يتنافس مع MEG-3 للوصول إلى RNA ، وأن التركيزات العالية من MEX-5 في الطرف الأمامي من البيضة الملقحة تمنع يتم تشكيل حبيبات P هناك (الشكل 1).

الحمض النووي الريبي وتكوين حبيبات P.

(أ) يتم تحسين تكوين القطرات السائلة من البروتين MEG-3 (الدوائر الحمراء) في المختبر بواسطة الحمض النووي الريبي (اللوحان الثاني والرابع) ويعاديها البروتين MEX-5 (اللوحة الثالثة). (ب) في اللاقحة أحادية الخلية ، يكون للجزء الأمامي من الخلية (على اليسار) مستويات أعلى من MEX-5 (التظليل الأزرق) من مؤخرة الخلية (على اليمين). يرتبط كل من MEX-5 و MEG-3 بالحمض النووي الريبي ، ويحد التنافس بينهما من تكوين حبيبات P في المناطق التي يكون فيها تركيز MEX-5 منخفضًا (أي إلى النهاية الخلفية للخلية). (ج) إذا زادت مستويات الحمض النووي الريبي في الخلية (ممثلة بمنطقة الشريط الرمادي) (عن طريق منع مسار تدهور الحمض النووي الريبي) ، يتم تكوين المزيد من حبيبات الفوسفور ، كما أنها تتشكل إلى الأمام أكثر في البيضة الملقحة أكثر من المعتاد.

مصدر الصورة: Alexey Soshnev و Tatjana Trcek و Ruth Lehmann.

دراسة نظرية حديثة في C. ايليجانس اقترح آلية مماثلة ، مع MEX-5 وبروتين حبيبي P يسمى PGL-3 يتنافسان على الارتباط بجزيئات mRNA (Saha et al. ، 2016). ومع ذلك ، سميث وآخرون. أظهر أن PGL-3 ليس ضروريًا لتنوى حبيبات P ، وأنه ليس ضروريًا لتأسيس التوزيع غير المتماثل للحبيبات أيضًا. لذلك فمن المرجح أن تكون MEG-3 سقالة مهمة لحبيبة P ثم تقوم بتجنيد بروتينات حبيبية P أخرى ، بما في ذلك PGL-3 (Hanazawa et al. ، 2011 Wang et al. ، 2014).

يرتبط MEX-5 و MEG-3 بالحمض النووي الريبي بخصوصية قليلة (Pagano et al. ، 2007 Smith et al. ، 2016) ، لكن البروتينات المحولة الموجودة في الخلايا الجرثومية قد تجعل من الممكن لهذه البروتينات الارتباط بمجموعات مختلفة من mRNAs (ويدمان وآخرون ، 2016). يمكن أن ينشئ هذا الارتباط الانتقائي تدرجًا معينًا من الرنا المرسال الذي يمتد من الأمام إلى الجزء الخلفي من الزيجوت ، مع التقاط mRNAs الحرجة في نهاية الخلية التي تتحول إلى خلايا جرثومية (Gallo et al. ، 2010 Lehmann ، 2016 سيدوكس وبراون ، 2006).

تنتشر حبيبات بروتين الحمض النووي الريبي في الطبيعة. إنها ، في الواقع ، موجودة في كل خلية في جسم الإنسان ، ومن المحتمل أن تنظم الحمض النووي الريبي بعدة طرق مختلفة (كوشرين ، وآخرون ، 2016). قد تؤدي انتقالات الطور إلى تكوين هذه الحبيبات الأخرى أيضًا ، على غرار تكوين الحبيبات P في C. ايليجانس. غالبًا ما تحتوي هذه الحبيبات على بروتينات مرتبطة بـ RNA مع مناطق مضطربة جوهريًا ويتم إثرائها أيضًا بـ RNAs (Han et al.، 2012 Lin et al.، 2015 Schwartz et al.، 2013 Teixeira et al.، 2005 Zhang et al.، 2015) . على هذا النحو ، قد يعتمد العديد منهم بالمثل على تكوين الحمض النووي الريبي. الآلية الجديدة التي أبلغ عنها سميث وآخرون. يمكن أن يفسر كيف يتم تصنيف مجموعة متنوعة من حبيبات بروتين الحمض النووي الريبي في مناطق مختلفة من الخلية ، على الرغم من أنها تشترك في مكونات متعددة.


قطرات الحمض النووي الريبي

يظهر فصل الطور السائل عن السائل كآلية عالمية تتشكل بها الحبيبات الخلوية عديمة الغشاء. على الرغم من العديد من الدراسات السابقة حول تكثيف البروتينات المضطربة جوهريًا ومجالات التعقيد المنخفض ، فإننا نفتقر إلى فهم دور الحمض النووي الريبي ، وهو المكون الأساسي لجميع حبيبات البروتين النووي (RNP). RNA ، باعتباره بوليمر أنيوني ، هو في جوهره منصة ممتازة لتحقيق التعددية ويمكن أن يستوعب العديد من بروتينات ربط الحمض النووي الريبي. سلطت النتائج الأخيرة الضوء على الوظيفة المتنوعة للحمض النووي الريبي في ضبط ميل فصل الطور لأعلى أو لأسفل ، مما يؤدي إلى تغيير خصائص اللزوجة المرنة وبالتالي عدم الاختلاط بين المكثفات المختلفة. بالإضافة إلى المساهمة في الخصائص الفيزيائية الحيوية للقطرات ، يعد الحمض النووي الريبي مكونًا مهمًا وظيفيًا يحدد هوية المكثفات الخلوية ويتحكم في التوزيع الزماني والمكاني لحبيبات RNP المحددة. في هذه المراجعة ، نلخص ما تعلمناه حتى الآن حول مثل هذه الأدوار لل RNA في سياق الدراسات في المختبر وفي الجسم الحي.


شكر وتقدير

نشكر J. Onuchic و S.Padrick لمناقشة الجوانب النظرية لهذه الدراسة ، L. تجارب FRAP ، S. Padrick و L. Doolittle للمساعدة في تنقية الأكتين ومركب Arp2 / 3 ولمشاركة الكواشف ، N. Grishin و S. Shi للمساعدة في عمليات البحث في قاعدة البيانات ، K. Lynch لتوفير بنية تعبير PTB ، D Billadeau و T. Gomez لتوفير الأجسام المضادة ، A. Ramesh ، W. Winkler و P.-L. تساي للحصول على المشورة بشأن تجارب الحمض النووي الريبي ، و K. تم دعم هذا العمل من قبل ما يلي: معهد هوارد هيوز الطبي ومنح من المعاهد الوطنية للصحة (NIH) (R01-GM56322) ومؤسسة ويلش (I-1544) إلى MKR ، وهي زمالة مؤسسة Chilton لـ H.-CC ، جائزة NIH EUREKA (R01-GM088745) إلى Q.-XJ ، منحة تدريب NIH لبيولوجيا السرطان T32 إلى ML ، وهي جائزة مؤسسة العلوم الوطنية (DMR-1005707) إلى PSR وجائزة صندوق Gates Millennium إلى J.V.H. تم دعم استخدام مصدر الفوتون المتقدم من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ، علوم الطاقة الأساسية ، مكتب العلوم ، بموجب العقد رقم W-31-109-ENG-38. BioCAT هو مركز أبحاث RR-08630 المدعوم من المعاهد الوطنية للصحة.


3 فيروسات

يعد فيروس التهاب الكبد الوبائي (سي) أحد أكثر العوامل المعدية التي تمت دراستها على نطاق واسع من حيث التفاعلات مع LDs. ترتبط دورة حياة هذا الفيروس ارتباطًا وثيقًا بعملية التمثيل الغذائي للدهون ، حيث ترتبط الجزيئات الفيروسية المنتشرة في دم المرضى المصابين بالبروتينات الدهنية ، وتشكل الجسيمات الدهنية (Boyer et al. ، 2014). في الخلايا المصابة بفيروس التهاب الكبد الوبائي ، يتم ترجمة البروتينات النووية (الأساسية) والبروتين غير البنيوي لمركب التكاثر الفيروسي ، NS5A ، إلى LDs (Miyanari et al. ، 2007). لقد ثبت أن تصور تجميع الفيروس في الخلايا المصابة بفيروس التهاب الكبد الوبائي يمثل تحديًا ، ولكن من خلال الإفراط في إنتاج البروتينات الهيكلية (النواة وبروتيني الغلاف) ، يمكن أن تكون الجسيمات الشبيهة بالفيروسات هي التبرعم الملحوظ في أغشية ER بالترابط الوثيق مع LDs ( Hourioux et al.، 2007a Roingeard، Hourioux، Blanchard، & Prensier، 2008 Figure 1a). يُعتقد حاليًا أن تكوين HCV ينطوي على استخدام LDs كمنصات تجميع للفيروس ، حيث يلعب البروتين الأساسي دورًا رئيسيًا في هذه الآلية. البروتين الأساسي هو البروتين الأول المترجم من الحمض النووي الريبي الفيروسي ويتم إطلاقه من البروتين متعدد البروتين الفيروسي الذي تم ترميزه بواسطة الجينوم الفيروسي ، من خلال حدثين انقسام متتاليين: الأول ، بوساطة ببتيداز الإشارة والثاني بواسطة ببتيداز الإشارة. تولد هذه الأحداث بروتينًا ناضجًا ينتشر بشكل جانبي في أغشية ER باتجاه سطح LDs (McLauchlan، Lemberg، Hope، Martoglio، 2002). يتفاعل البروتين الأساسي HCV جسديًا مع DGAT1 في غشاء ER ، وهذا التفاعل ، إلى جانب تخليق DGAT1 ثلاثي الجليسريد النشط ، مطلوب لتوطين النواة إلى LDs (Herker et al. ، 2010). على عكس اللب ، والذي تم العثور عليه بالكامل تقريبًا في LDs ، تم العثور على NS5A في كل من LDs وأغشية ER. يتفاعل DGAT1 أيضًا مع NS5A ، وربما يعمل كجسر جزيئي بين النواة و NS5A لضمان استهدافها لنفس LD (Camus et al. ، 2013). يتفاعل عاملان خلويان آخران ، البروتين المتفاعل الذيل 47 والبروتين المرتبط بـ Ras ، المرتبطان بـ LDs في خلايا الكبد ، مع NS5A ويساهمان في تكوين HCV (Vogt et al.، 2013 Salloum، Wang، Ferguson، Parton، & تاي ، 2013). قد يعزز Rab18 الارتباط الفيزيائي لـ NS5A مع المكونات الأخرى لآلة التكاثر الفيروسي و LDs (Salloum et al. ، 2013). من المحتمل أن يتضمن تجميع HCV توصيفًا وثيقًا لـ LDs مقابل مواقع تكاثر الفيروس الموجودة في مناطق متخصصة من أغشية ER والتي تم إنشاؤها بواسطة البروتينات غير الهيكلية (Ferraris et al. ، 2013). قد ينقل NS5A ، الذي يحتوي على خصائص ربط RNA ، الحمض النووي الريبي الفيروسي من مواقع النسخ المتماثل إلى LDs للتفاعل مع النواة ، مما يؤدي إلى تغليف الحمض النووي الريبي الفيروسي المركب حديثًا وتشكيل الفيروسات. يتم تجميع البروتينات الدهنية منخفضة الكثافة (VLDL) في المقصورة اللمعية من ER ، ومعظم الدهون المستخدمة لإنتاجها مشتق من LDs. لذلك ، من المحتمل أن تتبع جزيئات HCV الناشئة مسار تجميع VLDL ، لتوليد فيريونات مع البروتينات البروتينية المدمجة. لا يقتصر تفاعل HCV / LD على التشكل الفيروسي ، حيث ترتبط العدوى المزمنة بفيروس التهاب الكبد C بتراكم LD ، أو التنكس الدهني ، في كبد المرضى المصابين بعدوى التهاب الكبد C المزمنة (Roingeard & Hourioux ، 2008). يمكن أن يؤثر هذا التنكس الدهني على المسار الطبيعي للعدوى ، مما يؤدي إلى تفاقم تطور التليف الكبدي. تبين أن مستويات تراكم LD في الخلايا المصابة بفيروس HCV في المختبر مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بتعدد أشكال تسلسل البروتين الأساسي (Hourioux et al. ، 2007b) ، على الرغم من أن العوامل الوراثية للمضيف هي العوامل الرئيسية التي تتحكم في شدة التنكس الدهني للكبد في الجسم الحي (روينجيرد ، 2013).

فيروس GB B ، الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بفيروس HCV ويسبب التهاب الكبد الحاد في حيوانات التمران المصابة تجريبيًا ، يشفر بروتينًا أساسيًا يتجمع مع LDs ، بسبب منطقة مشابهة لبروتين HCV الأساسي (Hourioux et al. ، 2007a). لا يقتصر التفاعل مع LDs على فيروس التهاب الكبد C والفيروسات ذات الصلة من عائلة Flaviviridae ، حيث تم أيضًا تحديد البروتين الأساسي لفيروس حمى الضنك (DENV) مع LDs ، على الرغم من أن هذه الفيروسات تصيب الخلايا المضيفة المختلفة (الخلايا الكبدية لـ HCV والبعوض والإنسان حيدات ، والضامة لـ DENV Samsa et al. ، 2009). يتعاون بروتين غير إنشائي من DENV ، NS3 ، مع Rab18 لتجنيد مركب الأحماض الدهنية المضيفة إلى مواقع تكاثر الفيروس (هيتون وآخرون ، 2010 تانغ ، لين ، لياو ، ولين ، 2014). ومن المثير للاهتمام ، أن بروتين DENV الأساسي ظهر مؤخرًا أنه يتفاعل بشكل خاص مع VLDL ، مما يشير إلى أن DENV قد يشكل أيضًا جزيئات دهنية (Faustino et al. ، 2014). على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به في نموذج DENV ، يبدو أن ارتباط البروتين الأساسي / LD ضروري لإنتاج الفيروس في كلتا الحالتين.

تتكاثر الفيروسات العجلية في الخلايا المعوية وقد ثبت أنها عالية الاختراق من أجل أهدافها الخاصة (الشكل 1 ب). تحدث المراحل المبكرة من التجمع الفيروسي والتكاثر في أجسام متضمنة حشوية يسببها الفيروس تسمى viroplasms ، والتي تنطلق منها جزيئات مزدوجة الطبقات (DLPs). تكتسب هذه الجسيمات طبقة خارجية من ER الخام ، لتكوين جسيمات ثلاثية الطبقات (Trask ، McDonald ، & Patton ، 2012). تحتوي هذه الجسيمات ثلاثية الطبقات على أربعة بروتينات قفيصة رئيسية (VP2 و VP4 و VP6 و VP7) واثنين من البروتينات الثانوية (VP1 و VP3). يُعتقد أن الفيروسات الناضجة ، وهي فيروسات غير مغلفة ، يتم إطلاقها من خلال مسار الإفراز الخلوي ، بعد إزالة غشاء ER. يؤدي التحرر من الخلية المصابة إلى تعريض الفيروس إلى بروتياز الجهاز الهضمي ، مما يؤدي إلى انقسام VP4 إلى VP5 و VP8 ، مما يؤدي إلى إنتاج فيروسات معدية بالكامل (Trask et al. ، 2012). يتكوّن الفيروبلازم ، الذي يحتوي على مركب تكرار الحمض النووي الريبي النشط ويتكون أساسًا من بروتينين غير بنيويين NSP2 و NSP5 ، مع LDs في الخلايا المصابة (Cheung et al. ، 2010). يبدأ تجنيد LDs بالقرب من viroplasm بعد الإصابة الأولية بفترة وجيزة ، ويزداد عدد مجمعات viroplasm-LD خلال دورة النسخ المتماثل (Cheung et al. ، 2010). أظهر تحليل الدهون أن إجمالي محتوى الدهون في الخلية يزداد أثناء الإصابة بفيروس الروتا ، بما يتوافق مع زيادة تفاعل LDs مع viroplasms (Gaunt et al. ، 2013a). ثبت أن المركبات الكيميائية التي تمنع تخليق الأحماض الدهنية أو تتداخل مع توازن LD ، مثل triacsin C ، تقلل من عدد وحجم الفيروسات الفيروسية وعدد الفيروسات المعدية المنتجة (Gaunt، Cheung، Richards، Lever، & Desselberger، 2013b) .

أخيرًا ، تم إثبات تفاعل بروتينات فيروسية مختلفة من نماذج فيروسية مختلفة ، بما في ذلك بروتين قفيصة μ1 الخارجي لفيروسات إعادة الفيروسات (كوفي وآخرون ، 2006) والبروتين الخالي من الفيروس التورامي BK (Unterstab et al. ، 2010) ، مع LDs. لا يزال يتعين تحديد الصلة البيولوجية لهذه الارتباطات في هذه النماذج الفيروسية ، ولكن هذه النتائج تشير إلى أن الفيروسات المختلفة قد طورت آليات للتفاعل مع LDs ، وربما لتخريب وظيفة هذه العضيات لاستخدامها كمنصة لتجميع الجزيئات الفيروسية .


معلومات الكاتب

الانتماءات

قسم الصيدلة ، كلية الطب بجامعة بوسطن ، بوسطن ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية

قسم طب الأعصاب ، كلية الطب بجامعة بوسطن ، بوسطن ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية

قسم أمراض الروماتيزم والمناعة والحساسية ، بريغهام ومستشفى النساء ، بوسطن ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية

قسم الطب ، كلية الطب بجامعة هارفارد ، بوسطن ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية

معهد برود في هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، كامبريدج ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

مساهمات

بي دبليو. البحث عن البيانات للمقال. بي دبليو. و بي. قدم مساهمات جوهرية في مناقشة محتوى المقالة ، وكتب المقالة ، وراجع المخطوطة وحررها قبل إرسالها.

المؤلف المراسل


قطرات الحمض النووي الريبي

يظهر فصل الطور السائل عن السائل كآلية عالمية تتشكل بها الحبيبات الخلوية عديمة الغشاء. على الرغم من العديد من الدراسات السابقة حول تكثيف البروتينات المضطربة جوهريًا ومجالات التعقيد المنخفض ، فإننا نفتقر إلى فهم دور الحمض النووي الريبي ، وهو المكون الأساسي لجميع حبيبات البروتين النووي (RNP). الحمض النووي الريبي ، باعتباره بوليمر أنيوني ، هو في الأساس منصة ممتازة لتحقيق التكافؤ ويمكن أن يستوعب العديد من بروتينات ربط الحمض النووي الريبي. سلطت النتائج الأخيرة الضوء على الوظيفة المتنوعة للحمض النووي الريبي في ضبط ميل فصل الطور لأعلى أو لأسفل ، مما يؤدي إلى تغيير خصائص اللزوجة المرنة وبالتالي عدم الاختلاط بين المكثفات المختلفة. بالإضافة إلى المساهمة في الخصائص الفيزيائية الحيوية للقطرات ، يعد الحمض النووي الريبي مكونًا مهمًا وظيفيًا يحدد هوية المكثفات الخلوية ويتحكم في التوزيع الزماني والمكاني لحبيبات RNP المحددة. في هذه المراجعة ، نلخص ما تعلمناه حتى الآن حول مثل هذه الأدوار لل RNA في سياق الدراسات في المختبر وفي الجسم الحي.


معلومات الكاتب

العنوان الحالي: قسم البيولوجيا الجزيئية والخلوية ، جامعة كاليفورنيا بيركلي ، بيركلي ، كاليفورنيا ، 94702 ، الولايات المتحدة الأمريكية

هيديكي ناكامورا وألبرت أ. لي: ساهم هذان المؤلفان بالتساوي في هذا العمل.

الانتماءات

قسم بيولوجيا الخلية ، كلية الطب ، جامعة جونز هوبكنز ، بالتيمور ، ماريلاند ، 21205 ، الولايات المتحدة الأمريكية

هيديكي ناكامورا ، ألبرت إيه لي ، شيجيكي واتانابي ، شيفا رازافي ، أليستر سواريز ، يو تشون لين ، ماكوتو تانيغاوا ، روبرت دي روز ، ديانا بوب وأمبير تاكاناري إينو

مركز ديناميات الخلية ، معهد العلوم الطبية الحيوية الأساسية ، جامعة جونز هوبكنز ، بالتيمور ، ماريلاند ، 21205 ، الولايات المتحدة الأمريكية

هيديكي ناكامورا ، ألبرت إيه لي ، إلمر رو ، أليستر سواريز ، يو تشون لين ، بريان هوانج ، روبرت ديروز ، ديانا بوب وأمبير تاكاناري إينو

مركز علوم التصوير ، معهد ويتاكر للهندسة الطبية الحيوية ، جامعة جونز هوبكنز ، بالتيمور ، ماريلاند ، 21218 ، الولايات المتحدة الأمريكية

علي صبحي أفشار و جون جوتسياس

قسم الهندسة الطبية الحيوية ، معهد ويتاكر للهندسة الطبية الحيوية ، جامعة جونز هوبكنز ، بالتيمور ، ماريلاند ، 21218 ، الولايات المتحدة الأمريكية

شيفا رضوي ، ماكوتو تانيجاوا وأمب تاكاناري إينو

قسم الفيزياء الحيوية والكيمياء الفيزيائية الحيوية ، كلية الطب ، جامعة جونز هوبكنز ، بالتيمور ، ماريلاند ، 21205 ، الولايات المتحدة الأمريكية

وليام هونج وأمب ساندرا ب. جابيلي

Department of Medicine, School of Medicine, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, 21287, USA

Department of Oncology, School of Medicine, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, 21287, USA


شاهد الفيديو: أول عملية زراعة رأس بشري في العالم (ديسمبر 2022).