Nasze intuicje dotyczące procesów biochemicznych wywodzą się z eksperymentów laboratoryjnych, w których dobrze wymieszany roztwór reagentów i produktów może osiągnąć równowagę w zlewce. W takim ustawieniu stężenie danego związku chemicznego może być wyrażone jako pojedyncza liczba, która jest stosunkiem ilości molowej cząsteczek do objętości makroskopowej. Wiele z tego, co wiemy o strukturze i funkcji białek, pochodzi z użycia metod, które odzwierciedlają klasyczny, masowy obraz reakcji: zachodnie plamy, wirówki i pomiary spektrofotometryczne przeprowadzane na ekstraktach z homogenatów całych populacji komórek.
W miarę jak technologia, której używamy do oglądania komórek w powiększeniu, poprawia się w zawrotnym tempie, staje się coraz bardziej jasne, że warunki, w których większość reakcji biochemicznych zachodzi in vivo , tylko w najmniejszym stopniu przypominają te z klasycznego scenariusza laboratoryjnego. Wnętrze komórki jest nie tylko gęsto upakowanym środowiskiem, w którym efekty stłoczenia znacznie zmieniają aktywność różnych reagentów, ale jest również przeciwieństwem dobrze wymieszanych. Tłumaczy to częste rozbieżności między skutecznością in vitro i in vivo w szerokim zakresie złożonych reakcji makromolekularnych.
Intuicje wywodzące się z klasycznych eksperymentów biochemicznych in vitro nigdzie nie są bardziej podatne na wprowadzanie w błąd, jak w pytaniach dotyczących fałdowania, nieprawidłowego fałdowania i agregacji białek in vivo . Podczas gdy badania nad chemią białek w reakcjach masowych mogą traktować kwestię fałdowania danego białka jako proste pytanie "tak" lub "nie", każda próba śledzenia dynamiki całych populacji makrocząsteczek w żywej komórce musi być wrażliwa na cały rozkład możliwych wyników konformacyjnych dostępnych dla łańcucha polipeptydowego, , a w szczególności do ryzyka nieprawidłowego fałdowania i agregacji. Na przykład, możemy zbadać lizat komórkowy białka agregującego za pomocą western blotting i ustalić, że białko jest w większości nierozpuszczalne i nie jest ubikwitynowane. Jednak w żywej komórce dyskretna subpopulacja białka, trudna do wykrycia podczas uśredniania na wielu komórkach, może być rozpuszczalna i ubikwitynowana w określonym kompartmencie, w którym lokalne stężenie gatunku jest bardzo wysokie. Ten drugi scenariusz może mieć ważniejsze konsekwencje dla żywotności komórki niż większa subpopulacja masowa. Co więcej, podczas gdy białka opiekuńcze wykazują różnorodne zachowania i funkcje plejotropowe in vitro, staje się oczywiste, że w komórce ich dyskretne funkcje są ograniczone przestrzennie i czasowo.
W nowo powstającym paradygmacie rozumienia biochemii koncentracja staje się zmienną właściwością każdego konkretnego nanośrodowiska w komórce, a zdarzenia molekularne, które leżą u podstaw procesów biologicznych, muszą być badane nie tylko w czasie, ale także w przestrzeni. Przedstawione tutaj podejście do obrazowania 4D umożliwia czułe modelowanie nieprawidłowego fałdowania białek w żywych komórkach, choć może być wykorzystane do badania dowolnej liczby innych procesów biologicznych i tego, jak są one regulowane w przestrzeni, czasie i po zmianach warunków środowiskowych. W tym artykule wykorzystano czujnik składania Ubc9ts , który skutecznie demonstruje etapy i opcje radzenia sobie z początkiem agregacji białek w cytozolu. Oprócz zilustrowania biologii komórki w kontroli jakości agregacji, podejście to może służyć jako potężne narzędzie do rozszyfrowywania wpływu określonych zaburzeń lub mutacji genetycznych na proteostazę (na przykład Ubc9ts można wykorzystać do pomiaru stresu związanego z fałdowaniem białek w odpowiedzi na utlenianie, ekspresję toksycznego agregatu lub mutacje w szlaku kontroli jakości).
Obrazowanie 4D jest również niezbędne do dokładnego określenia lokalizacji lub kolokalizacji białek między dwoma różnymi białkami oraz do wykrywania zjawisk, które mogą być przejściowe, ale ważne. Na przykład, szczególnie w małych kulistych organizmach, takich jak drożdże, może się wydawać, że struktura lub agregat ma lokalizację międzyjądrową, podczas gdy obrazowanie 4D może ujawnić, że jest to po prostu artefakt kąta badania.
W przykładowym eksperymencie, który tutaj prezentujemy, demonstrujemy użycie modelowego nieprawidłowo sfałdowanego białka, Ubc9ts, do śledzenia kontroli jakości agregacji w czasie i przestrzeni w cytozolu. W temperaturze dopuszczalnej Ubc9ts jest fałdowany i dyfundowany w jądrze i cytozolu. W przypadku nieprawidłowego fałdowania wywołanego ciepłem początkowo tworzy szybko dyfundujące małe zagregowane ogniska naprężeń, które są przetwarzane w celu degradacji proteasomalnej. Kiedy proteasom jest częściowo zahamowany, te ogniska stresu są przekształcane w inkluzje JUNQ i IPOD w ciągu około 2 godzin. Jeśli degradacja za pośrednictwem ubikwityny nie jest dostępna jako opcja kontroli jakości, Ubc9ts jest natychmiast przekierowywany do inkluzji IPOD w celu agregacji ochronnej. Narzędzia te oferują niesamowite możliwości odkrywania nowych czynników genetycznych zaangażowanych w kontrolę jakości agregacji oraz badania ich przestrzennej i czasowej regulacji w komórce.