Эта структура называется ядрышком, это часть клетки, которую обычно обнаруживают под микроскопом в виде групп маленьких черных пятнышек, похожих на семена мака в булочке. Основная функция ядрышка — создавать рибосомы, молекулярные машины, которые имеют решающее значение для роста клеток.
Исследовательская группа из Принстона задала простой вопрос о ядрышке: становятся ли эти рибосомные фабрики больше по мере того, как увеличиваются клетки, которые их содержат?«Мы подумали: зависит ли сборка и функция ядрышка от размера клетки?» сказал Клиффорд Брэнгвинн, ведущий исследователь и доцент кафедры химической и биологической инженерии в Принстоне. «Если бы это было правдой, то это могло бы обеспечить механизм обратной связи для регулирования роста клеток».Предел клеточного роста и то, как клетки «выбирают» свой конечный размер, долгое время оставались открытыми для биологов вопросами.
Клетки с общей функцией — мышечной, нервной и т. Д. — образуют одинаковый размер, но как они это делают, было неизвестно. Механизм, с помощью которого клетки выполняют эту функцию, и способы ее нарушения также играют важную роль во многих типах заболеваний, включая различные формы рака.
«Хорошо известно, что ядрышко движет клеточный рост», — сказал Брэнгвинн. «Возможно ли, что существуют простые биофизические правила, которые напрямую связывают ядрышко и его функции с размером клетки, что позволяет ядрышку« знать »размер клетки».Ядрышко — одно из множества сборок внутри клетки, называемых органеллами; эти структуры функционируют так же, как органы в человеческом теле. В частности, ядрышко известно как РНК / белковое тело — класс органелл, не имеющих определенной границы, отделяющей его от окружающей жидкой протоплазмы. В более ранних исследованиях Брангвинн обнаружил, что эти структуры ведут себя как вязкие жидкие капли — как капля масла в воде.
Работа Брэнгвинна над несколькими РНК / белковыми телами предполагает, что эти жидкообразные структуры собираются посредством фазового перехода — механизма того же типа, который заставляет капли росы конденсироваться на травинках.
Ранняя работа группы привела их к размышлениям о том, может ли более высокая концентрация клеточного вещества более легко привести к фазовому переходу, который собирает ядрышки. Если так, это могло бы регулировать размер клетки: маленькая клетка с высокой концентрацией вещества могла бы легко собрать ядрышки, но как только клетка стала слишком большой, распространяя свой материал, ядрышки рассыпались бы, и клетка перестала бы расти.«Это похоже на приготовление леденцов из раствора сахара», — сказал Брэнгвинн. «Если вы разбавите раствор слишком сильно, леденец не вырастет в растворе».
Брэнгвинн и Стефани Вебер, научный сотрудник лаборатории, получивший докторскую степень, проверили эту гипотезу в серии экспериментов с использованием эмбрионов червя, называемого нематодами. В статье, опубликованной 19 февраля в журнале Current Biology, исследователи подробно описывают, как они использовали метод, называемый РНК-интерференцией (РНКи), для увеличения или уменьшения размера клеток, а затем исследовали влияние на сборку ядрышек.«Мы воспользовались некоторыми полезными свойствами червя, которые позволили нам изменять концентрацию всех компонентов ядрышка, просто изменяя размер клетки», — сказал Вебер.Команда смогла получить математическую модель, основанную на физике фазовых переходов, которая объясняет это изменение размера.
В модели они показывают, что сборка и размер ядрышек зависят от двух факторов: первый — это концентрация клеточного материала (который связан с размером клетки), второй — это энергия взаимодействия между молекулами в клетке, которая определяет насыщающая концентрация для фазового перехода. Модель объясняет, почему ядрышки не собираются в некоторых клетках и почему они вырастают до большего или меньшего размера в других клетках.Поддержку проекту частично оказали Национальные институты здравоохранения, Программа стипендий Серла, Национальный научный фонд и стипендия Дэймона Руньона для получения докторской степени.
Брангвинн сказал, что этот вывод открывает возможность того, что сборка ядрышка, управляемая фазовыми переходами, ограничивает рост клетки — когда клетка относительно мала, ядрышки легко собираются и производят достаточно рибосом для роста клетки; но когда клетка становится больше, становится труднее производить достаточное количество рибосом, и клеточный рост замедляется.Брэнгвинн работает над непосредственной проверкой этой идеи. «Мы разработали захватывающую новую технологию, которая позволяет нам точно измерять динамику роста червя, и теперь мы используем ее, чтобы проверить, напрямую ли влияет на скорость, с которой ядрышки продуцируют рибосомы, биофизическая связь с размером клетки, которую мы раскрыл ".