Карман, полный молекул воды: как актиновые филаменты управляют движением клетки

Актиновые филаменты — это белковые волокна, составляющие внутренний скелет клетки. Они поддерживают слияние и движение клеток, а также участвуют во многих других клеточных процессах. Кроме того, они являются основным компонентом мышечных клеток.

Впервые исследователям из Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде (Германия) удалось визуализировать сотни молекул воды в актиновом филаменте, что стало прорывом в исследовании актина.

С помощью криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) группа Штефана Раунзера с беспрецедентной детализацией показала:

• Как актиновые белки расположены в филаменте.
• Как АТФ — источник энергии клетки — располагается в белковом кармане.
• Где позиционируются отдельные молекулы воды и реагируют с АТФ.

В эукариотических клетках актиновые белки многочисленны и стремятся объединиться (полимеризоваться) в филаменты. Эти филаменты образуют сеть цитоскелета, который контролирует различные процессы через движение. Например, иммунные клетки используют актиновые филаменты для перемещения и охоты на бактерии и вирусы.

Известно, что динамика филаментов регулируется гидролизом АТФ — реакцией АТФ с водой, которая расщепляет фосфатную группу и генерирует энергию. Однако точные молекулярные детали этого процесса оставались неизвестными.

Слишком гибкие, слишком большие? Не для cryo-EM

Поскольку актиновые филаменты слишком гибкие или большие для рентгеновской кристаллографии и ЯМР, cryo-EM стала единственной методикой для получения детальных изображений. В 2015 году команда Раунзера использовала cryo-EM для создания атомной модели филаментов с разрешением 0.37 нм. В 2018 году его группа описала три состояния актиновых белков в филаменте: связанное с АТФ, связанное с АДФ в присутствии расщеплённого фосфата, и связанное с АДФ после высвобождения фосфата.

Как движутся молекулы воды

В текущем исследовании, опубликованном в Nature, Раунзер и его коллеги установили новый рекорд разрешения: они получили все три состояния актина с разрешением около 0.2 нм, сделав видимыми ранее невидимые детали. Трёхмерные карты показывают не только все аминокислотные боковые цепи белков, но и расположение сотен молекул воды.

Сравнив эти новые структуры со структурой изолированного актина, учёные смогли понять, как движутся молекулы воды. При полимеризации молекулы воды перераспределяются в АТФ-кармане таким образом, что перед АТФ остаётся только одна молекула воды, готовая атаковать фосфат и инициировать гидролиз.

Такая точность может помочь дальнейшим исследованиям: «Наша высокоразрешающая модель может помочь учёным в разработке малых молекул для исследований с помощью световой микроскопии на тканях и, в конечном счёте, в терапевтических приложениях», — говорит Раунзер.

Есть ли «дверь» для выхода?

Авторы также пролили свет на судьбу фосфата. Ранее учёные полагали, что в АТФ-кармане существует «задняя дверь», которая остаётся открытой после гидролиза АТФ, чтобы облегчить выход фосфата. Однако новые структуры, полученные методом cryo-EM, не показывают следов открытых «дверей». Следовательно, механизм высвобождения остаётся загадкой.

«Мы считаем, что дверь существует, но, вероятно, открывается на мгновение», — комментирует Раунзер, который теперь планирует использовать математическое моделирование и методы cryo-EM с временным разрешением, чтобы выяснить, как именно фосфат выходит. Эти открытия открыли дверь для учёных, чтобы глубже изучить детали процессов, с помощью которых актиновые филаменты способствуют движению клетки.