РНК, богатые повторами, формируют нерастворимые агрегаты в биомолекулярных конденсатах

Повторы в последовательностях РНК могут способствовать образованию стабильных кластеров внутри рибонуклеопротеиновых компартментов — биомолекулярных конденсатов, состоящих из белков и нуклеиновых кислот (обычно РНК). Образование таких агрегатов зачастую ассоциировано с развитием нейродегенеративных заболеваний. Механизмы, лежащие в основе фазовых переходов внутри этих конденсатов, до конца не изучены. Новое исследование, опубликованное в Nature Chemistry, показывает, что кластеризация богатых повторами РНК зависит от их последовательности, структуры и числа повторов. Кроме того, ученые продемонстрировали, что РНК-связывающие белки и антисмысловые олигонуклетотиды способны препятствовать агрегации РНК в биомолекулярных конденсатах.

Ученые разработали систему, моделирующую рибонуклеопротеиновые капли. В их состав входили синтетические РНК-связывающие пептиды и одноцепочечная политиминовая ДНК. При добавлении в систему РНК, несущей теломерные повторы UUAGGG (TERRA), ученые наблюдали формирование РНК-агрегатов. Структура капли изменялась с образованием более плотного TERRA-богатого ядра и более жидкой РНК-обедненной субстанции на периферии.

Исследователи показали, что повторяющаяся TERRA может проходить фазовый переход с перколяцией — процессом, при котором молекулы РНК образуют устойчивые кластеры за счет взаимодействий гомотипических РНК. Этот переход зависит от температуры и концентрации ионов магния и приводит к необратимой агрегации РНК внутри конденсата. Замена гуанина на урацил в последовательности нарушает формирование G-квадруплексов и предотвращает перколяцию, что подтверждает важную роль структуры и состава РНК в кластеризации.

Скорость кластеризации TERRA внутри конденсатов зависела от числа повторов в последовательности РНК. Чем больше повторов UUAGGG содержит молекула, тем быстрее она образует агрегаты, при этом кластеры становятся крупнее с течением времени. Мутантная TERRA не вызывала подобных изменений.

Существует целый класс генетических заболеваний, ассоциированный с повторами, — болезни экспансии тринуклеотидных повторов. Например, это болезнь Гентингтона (повтор CAG), синдром ломкой Х-хромосомы (повтор CGG) и миотоническая дистрофия (повтор CUG). Авторы изучили, как количество этих повторов влияет на образование РНК-агрегатов. РНК с числом повторов, превышающих норму и ассоциированным с развитием заболеваний (31 для CAG и 47 для CUG), склонны к быстрой кластеризации внутри конденсатов. Такие кластеры вызывают фазовый переход конденсата из жидкого в твердое состояние: оболочка остается текучей, тогда как РНК-ядро становится твердым и нерастворимым.

Авторы выяснили, что агрегацию РНК внутри конденсатов можно предотвратить за счет ингибирования взаимодействий между гомотипических РНК. Введение антисмыслового олигонуклеотида, комплементарного TERRA, полностью подавляло формирование кластеров и снижало вязкость конденсата. Подобный эффект наблюдался и при добавлении белка G3BP1 (ключевого компонента стрессовых гранул), который значительно замедлял кластеризацию РНК даже в случае патогенных тринуклеотидных повторов. Эти результаты подчеркивают роль РНК-связывающих белков в подавлении патологической агрегации РНК и стабилизации рибонуклеопротеиновых компартментов.

Таким образом, авторы продемонстрировали, что многокомпонентные биомолекулярные конденсаты могут служить ядром агрегации богатых повторами РНК — процесса, связанного с рядом нейродегенеративных заболеваний. Молекулы, нарушающие взаимодействия гомотипических РНК, такие как антисмысловые олигонуклеотиды и РНК-связывающие белки, способны подавлять агрегацию. В перспективе это может позволить регулировать патологическое агрегирование РНК при заболеваниях.

Для формирования фибриллярных центров ядрышка достаточно одного белка