Fibers and Glasses are Competing Material States in FUS Protein Condensation

In de hersenen kunnen bepaalde eiwitten zich gedragen als oliedruppels in water, waarbij ze samenklonteren om dichte, vloeistofachtige druppels te vormen die condensaten worden genoemd. Deze structuren zijn essentieel voor een gezonde celwerking en helpen de complexe chemie van het leven te organiseren. Echter, wanneer deze eiwitten fout gaan, kunnen ze transformeren in stijve, draadvormige structureen die amyloïdevezels worden genoemd. Deze vezels zijn het kenmerk van verwoestende neurodegeneratieve ziekten, zoals ALS en frontotemporale dementie, waarbij ze zich ophopen en hersenweefsel beschadigen. Jarenlang hebben wetenschappers gedebatteerd over hoe deze gevaarlijke vezels ontstaan. Een heersende idee was dat de vloeibare druppels zelf de geboorteplaats van deze vezels zouden kunnen zijn, waarbij ze misschien van binnenuit verharden naarmate ze ouder worden. Het begrijpen van waar en hoe deze transformatie precies plaatsvindt, is cruciaal, omdat het nieuwe manieren kan onthullen om de ziekte te stoppen voordat deze begint.

Een team van onderzoekers heeft dit proces nu in realtime zien afspelen met behulp van een eiwit genaamd FUS als model. Ze ontdekten dat het verhaal complexer is dan een eenvoudige transformatie van vloeistof naar vaste stof. In plaats van binnenin de dichte druppels te groeien, ontspruiten en groeien de vezels eigenlijk in de dunne, waterige vloeistof die hen omringt. Terwijl de vezels eiwit uit deze omringende vloeistof trekken om zichzelf op te bouwen, beginnen de nabijgelegen dichte druppels te krimpen en uiteindelijk te veranderen in een ander soort vaste stof: een glasachtige, verstopte staat die verschillend is van de vezels. De studie laat zien dat deze twee vaste vormen — de gevaarlijke vezels en de glasachtige druppels — concurrenten zijn. Ze veranderen niet in elkaar; in plaats daarvan strijden ze om dezelfde bouwstenen, en het verouderen van de druppels kan de vorming van de vezels zelfs vertragen.

Om dit duidelijk te zien, creëerden de onderzoekers een gecontroleerde omgeving in een laboratoriumschaaltje. Ze mengden een fluorescerend gelabelde versie van het FUS-eiwit met een speciale kleurstof die alleen oplicht wanneer deze bindt aan de stijve, draadvormige vezels. Vervolgens voegden ze kleine fragmenten van bestaande vezels toe, die fungeerden als zaden om het proces te starten. Met behulp van een krachtige microscoop keken ze wat er gebeurde over een periode van enkele uren. In plaats van te zien dat de vezels vanuit het midden van de vloeibare druppels naar buiten braken, observeerden ze dat de zaden op het oppervlak van de druppels landden. Van daaruit begonnen dikke vezels naar buiten te groeien, de omringende waterige ruimte in. Na verloop van tijd vormde zich een schil van deze vezels rond de druppels, terwijl de druppels zelf begonnen te krimpen en te rimpelen.

Het team wilde weten waar het eiwit voor de groeiende vezels precies vandaan kwam. Haalden de vezels materiaal rechtstreeks uit de vloeibare druppels waar ze mee in contact stonden, of trokken ze het uit de bredere, dunnere vloeistof om alles heen? Om dit te ontdekken, voerden ze een slim experiment uit. Ze namen een vezel die uit een druppel groeide en gebruikten een laser om een klein plekje op de vezel te bleken, waardoor dat specifieke deel donker werd. Als de vezel zou groeien door nieuw materiaal aan de basis bij de druppel toe te voegen, zou de donkere plek zich wegbewegen naarmate de vezel langer werd. Maar als de vezel zou groeien aan de punt door nieuw materiaal uit de omringende vloeistof aan te trekken, zou de donkere plek op dezelfde plek blijven ten opzichte van de druppel. Wanneer ze keken, bleef de donkere plek gefixeerd. Dit bewees dat de vezels langer werden door eiwit te rekruteren uit de ijle vloeistof eromheen, en niet door de druppel zelf 'op te eten'.

Verdere metingen bevestigden hoe dominant dit proces was. Door het volume van de druppels die in contact stonden met vezels te volgen versus de druppels die dat niet deden, berekenden de onderzoekers dat ongeveer 96 procent van het eiwit dat werd gebruikt om de vezels te bouwen, afkomstig was uit de omringende vloeistof, terwijl slechts ongeveer 4 procent direct uit de druppels kwam. Terwijl de vezels eiwit uit de vloeistof consumeerden, daalde de concentratie eiwit in die vloeistof. Dit zorgde ervoor dat de nabijgelegen druppels krompen, omdat ze probeerden hun evenwicht te bewaren door meer eiwit in de vloeistof vrij te geven. Het was een dynamisch systeem waarbij de druppels fungeerden als een reservoir dat de groei van de vezel van buitenaf langzaam voedde.

Het verhaal nam echter een wending toen de onderzoekers overwogen wat er gebeurt naarmate deze druppels ouder worden. Ze wisten dat deze vloeibare druppels na verloop van tijd hun vloeibaarheid kunnen verliezen en "glasachtig" kunnen worden, een staat waarin de moleculen binnenin vast komen te zitten en verstopt raken, waardoor ze niet meer vrij kunnen bewegen. Ze vroegen zich af of deze glasachtige staat de vorming van vezels zou helpen of hinderen. Om dit te testen, bereidden ze drie sets monsters voor en lieten ze de druppels voor verschillende tijdsduur rusten: één uur, vierentwintig uur en achtenveertig uur. Hoe langer ze wachtten, hoe meer de druppels veranderden in een glasachtige, geblokkeerde vaste stof. Toen ze de vezelzaden aan deze verouderde monsters toevoegden, waren de resultaten opmerkelijk. In de verse monsters van één uur groeiden de vezels snel en consumeerden ze de meeste druppels. Maar in de monsters die achtentwintig en achtenveertig uur hadden gerust, was de groei van de vezels aanzienlijk langzamer en bleven veel van de glasachtige druppels intact.

De onderzoekers concludeerden dat de glasachtige staat als een barrière werkt. Omdat de moleculen in de verouderde druppels verstopt zitten en niet gemakkelijk kunnen bewegen, kunnen ze het eiwit niet snel genoeg vrijgeven in de omringende vloeistof om de groeiende vezels te voeden. Dit creëert een competitie: het systeem heeft twee paden naar een vaste staat. Het ene pad leidt tot de vorming van amyloïdevezels, wat een constante aanvoer van eiwit uit de vloeistof vereist. Het andere pad leidt tot het verharden van de druppels zelf tot een glasachtige vaste stof, wat die aanvoer afsnijdt. De twee toestanden zijn verschillend; de onderzoekers bevestigden dit door een chemisch detergent toe te voegen dat de glasachtige druppels oplost maar de vezels onaangetast laat. De glasachtige druppels verdwenen, terwijl de vezels bleven bestaan, wat bewees dat het verschillende materialen zijn.

Dit werk verandert het begrip van hoe deze ziekten kunnen verlopen. Het suggereert dat de vorming van toxische vezels en het verharden van cellulaire druppels geen enkelvoudig, lineair proces is waarbij de één in de ander verandert. In plaats daarvan zijn het twee aparte, concurrerende uitkomsten. De vloeibare druppels verouderen niet simpelweg tot vezels; ze kunnen verouderen tot een glasachtige staat die de vorming van de vezels juist blokkeert. Deze ontdekking benadrukt een delicate balans in de chemie van de cel, waarbij de snelheid waarmee druppels hun inhoud vrijgeven bepaalt of het systeem richting de vorming van ziekteveroorzakende vezels kantelt of in een stilstaande, glasachtige staat blijft. Door deze concurrerende paden in kaart te brengen, biedt de studie een duidelijker beeld van de fysieke regels die het gedrag van eiwitten in de hersenen beheersen, wat nieuwe invalshoeken biedt voor het begrijpen van hoe deze ziekten de kop opsteken.