Для формирования фибриллярных центров ядрышка достаточно одного белка

Внутри клеточного ядра есть не ограниченные мембранами структуры — биомолекулярные конденсаты, сформированные взаимодействием между белковыми молекулами. Так, ядрышко — структурно обособленная область ядра, в которой локализованы гены, кодирующие рибосомные РНК (рРНК), и собираются рибосомные субъединицы; иными словами, от ядрышка зависит синтез белков. Изучение механизмов, регулирующих образование биомолекулярных конденсатов, имеет огромное значение для понимания функционирования клетки.

Ядрышко человеческих клеток состоит из трех компонентов: транскрипция генов рРНК ассоциирована с компартментом, известном как фибриллярный центр, дальнейший процессинг предшественников рРНК происходит в плотном фибриллярном компоненте, сборка рибосомных субъединиц — в гранулярном компоненте. Однако многие эукариоты, например, рыбы, имеют не трехкомпонентное, а двухкомпонентное ядрышко, в котором отсутствуют фибриллярные центры. В ходе эволюции позвоночных трехкомпонентное ядрышко появилось у амниот (предков пресмыкающихся, птиц и млекопитающих). Причины и механизмы перехода от двухкомпонентного к трехкомпонентному ядрышку до конца не понятны. Ученые из Массачусетского технологического института показали, что для формирования фибриллярного центра необходим и достаточен единственный белок — TCOF1.

Ранее авторы установили, что молекулы TCOF1 взаимодействуют друг с другом за счет своих неупорядоченных участков. Кроме того, известно, что конденсаты, которые образует TCOF1, привлекают к себе другие белки фибриллярных центров. Чтобы продемонстрировать важность TCOF1 для формирования фибриллярных центров, ученые экспрессировали в клетках линии HeLa TCOF1 с дополнительным дегроном (участком белковой молекулы, который регулирует скорость его деградации). Разрушение TCOF1 приводило к полному исчезновению фибриллярных центров. Примечательно, что даже подавление ядрышковой транскрипции путем ингибирования РНК-полимеразы I с помощью актиномицина D не оказывало столь сильного влияния на фибриллярные центры.

Экспрессия TCOF1 с GFP-тегом в клетках HeLa показала, что белок формирует конденсаты в ядрышке, которые нередко бывают крупнее нормальных фибриллярных центров, однако во всех случаях другие компоненты фибриллярных центров сохраняли колокализацию с TCOF1. Интересно, что размер фибриллярных центров коррелировал с уровнем экспрессии TCOF1. Авторы сделали вывод, что именно TCOF1 является ключевым компонентом, привлекающим другие белки в фибриллярные центры. Конденсаты TCOF1 формируются путем самосборки, без участия посторонних факторов.

Наконец, было экспериментально показано, что TCOF1 достаточен для формирования фибриллярных центров. Экспрессия человеческого TCOF1 в клетках зародыша данио-рерио привела к появлению в их ядрышках фибриллярных центров. Исследователи полагают, что приобретение белков, необходимых для сборки разных компонентов ядрышка, могло происходить поэтапно в ходе эволюции.

«Что действительно интересно в этой работе, так это то, что она дает нам молекулярную рукоятку для управления конденсатом, введения его в виды, у которых его нет, а также удаления его у видов, у которых он есть. Это действительно могло бы помочь нам раскрыть взаимосвязь между структурой и функцией и выяснить, какова роль третьего отдела [ядрышка]», — сказал Нима Джабери-Лашкари, один из ведущих авторов статьи.

Эта работа демонстрирует, что для возникновения функционально важных структур ядра могло быть достаточно минимального количества эволюционных этапов. Согласно гипотезе, предложенной авторами, клеточные конденсаты, появившиеся ранее фибриллярного центра, также могли первоначально формироваться одним белком, но постепенно эволюционировали, становясь более сложными.

РНК-полимераза II в ядрышке управляет биогенезом рибосом