Гибкость и спиральные изгибы актиновых филаментов регулируют белки, связывающиеся с актином
Исследователи из Университета Канадзавы в статье для eLife расшифровали структуро-зависимое предпочтительное кооперативное связывание кофилина с актином.
Актиновый филамент — это двухцепочечная спиральная структура, образованная двумя длинношаговыми спиралями. Расстояние между точками пересечения цепей, известное как полуспиральный шаг (HHP), составляет около 36 нм. Каноническая половина спирали состоит из 13 актиновых протомеров (6.5 пар), что дает среднее аксиальное расстояние (MAD) 5.5 нм между двумя соседними протомерами в одной длинношаговой цепи.
Кофилин, присутствующий у всех эукариот, относится к семейству деполимеризующих актин факторов/кофилинов (ADF/кофилин). У млекопитающих две основные изоформы: кофилин 1 (в основном в немышечных тканях) и кофилин 2 (преимущественно в мышечных тканях).
Кофилин — ключевой регулятор динамики актиновых филаментов, особенно процессов сборки и разборки в неравновесных условиях. Он облегчает деполимеризацию и фрагментацию филаментов концентрационно-зависимым образом и взаимодействует с другими актин-связывающими белками, сотрудничая или конкурируя с ними.
Исследование отвечает на ключевые вопросы о предпочтительном кооперативном связывании и расширении кластеров кофилина 1 вдоль филамента:
- Отличается ли количество протомеров на HHP в каноническом актиновом филаменте и в скрученных участках актина, не связанных с кофилином (C-актин-подобные)?
- Изменяется ли MAD в этих областях со временем и как эти изменения влияют на связывание кофилина в соседних несвязанных участках актина, содержащих ADP или ADP.Pi, с острых (PE) и зазубренных (BE) концов кластеров кофилина?
Команда Нго из WPI NanoLSI-Университета Канадзавы (Япония), Уорикского университета (Великобритания), Ханойского университета науки и технологий (Вьетнам) и Университета Васэда (Япония) использовала высокое пространственно-временное разрешение высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (HS-AFM) для наблюдения динамических структурных изменений актиновых филаментов при связывании кофилина.
Они также экспериментально продемонстрировали присущую голым актиновым филаментам изменчивость скрученных конформаций. Результаты показывают, что спиральные изгибы и динамика актиновых филаментов изменчивы и нерегулярны как in vitro, так и in vivo, что бросает вызов традиционному представлению о статичности этих параметров, полученному с помощью крио-электронной микроскопии и рентгеновской дифракции.
Интеграция HS-AFM с анализом главных компонент (PCA) позволила объяснить структуро-зависимое предпочтительное кооперативное связывание кофилина со стороны PE филамента. Исследование предоставляет экспериментальные доказательства в поддержку «принципа подтверждения»: гибкие и специфические спиральные изгибы актиновых филаментов регулируют функции актин-связывающих белков.
Авторы подчеркивают важность учета структурной динамики и гетерогенности филаментозного актина в различных нуклеотидных состояниях, с кофилином и без, во времени.
Эта значимая работа углубляет понимание динамичной и полиморфной природы актиновых филаментов, критически важных для широкого спектра клеточных процессов. Результаты будут полезны исследователям цитоскелета в областях клеточной механики и подвижности, а также в зарождающейся области «динамической структурной биологии».
Перспективы и будущие задачи
Ключевая задача изучения «динамики белков» в реальном времени — преодоление разрыва во временных масштабах: HS-AFM захватывает динамику двумерной поверхностной структуры белков в диапазоне от миллисекунд до секунд, тогда как молекулярно-динамическое (MD) моделирование обычно исследует атомарную структуру в домене от фемтосекунд до микросекунд.
Динамика белков охватывает спектр временных масштабов — от атомных колебаний до молекулярного вращения и коллективных движений в симуляциях. HS-AFM выделяется как мощный метод для изучения динамики белков, включая процессы фолдинга и конформационные изменения, вызванные лекарствами или взаимодействиями белков. Существенное ограничение MD-моделирования — пространственное ограничение, которое мешает изучению больших сложных биологических систем.
Однако использование HS-AFM позволяет строить сложные модели белков и проводить высокоскоростную визуализацию их структуры и динамики во время функциональной активности. Таким образом, для преодоления расхождений во временном и пространственном разрешении между экспериментальными данными и данными моделирования требуется комплексная стратегия, позволяющая одновременно наблюдать структуры, динамику и функции белков на сверхбыстром/реальном времени и атомарном уровне, превосходящем возможности отдельных методов.