Исследование методом электронной микроскопии раскрывает тайны полярности актиновых филаментов

Актиновые филаменты — белковые структуры, критически важные для движения живых организмов от отдельных клеток до животных, — давно известны своей полярностью, связанной с их физическими характеристиками: у них есть растущий "зазубренный" (barbed) и сокращающийся "заостренный" (pointed) концы. Концы филамента также по-разному взаимодействуют с другими белками в клетках. Однако механизм, определяющий эти различия, до конца не был ясен. Теперь исследователи из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета с помощью техники криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) раскрыли ключевые атомные структуры концов актинового филамента.

Исследование, опубликованное в Science, дает фундаментальное понимание, которое может помочь раскрыть детали механизмов заболеваний мышц, костей, сердца, неврологических и иммунных расстройств, являющихся результатом дефектов или дефицита актина.

Актин — самый распространенный белок внутри клеток высших организмов, таких как животные. Он служит строительным блоком для длинных тонких структур — филаментов, которые обеспечивают ключевую структурную поддержку как часть клеточного "цитоскелета", системы, придающей клеткам форму и полярность. Быстрые изменения актиновых филаментов лежат в основе ключевых клеточных процессов, таких как движение по поверхностям, контакт между клетками и деление клеток. Актиновые филаменты также являются основными элементами мышечных волокон.

"Результаты нашего исследования дают механистическое понимание процесса, известного нам более 40 лет как тредмиллинг филаментов, и влияют на то, как мы рассматриваем клеточные роли актина в здоровье и болезни", — сказал старший автор исследования Роберто Домингес, доктор философии.

Динамика актиновых филаментов в значительной степени регулируется процессом "тредмиллинга", при котором отдельные молекулы актина теряются с одного конца филамента (заостренного) и добавляются к другому (зазубренному). Актиновые филаменты могут стабилизироваться особыми "кэпирующими" белками, которые связываются с концами филамента, чтобы остановить дальнейшее добавление или потерю отдельных молекул актина. Многие другие белки также связываются с зазубренным и заостренным концами актинового филамента. Но структурные детали, определяющие специфичность этих взаимодействий, оставались неясными.

В своем исследовании ученые, включая двух студентов из Пенна — Питера Кармана (недавнего выпускника лаборатории Домингеса) и Кайла Барри (нынешнего аспиранта), которые выступили со-первыми авторами, — проанализировали актиновые филаменты с помощью cryo-EM. С помощью этой техники высокого разрешения исследователь получает тысячи снимков целевой молекулы, выравнивает их с помощью вычислений и усредняет, чтобы уменьшить случайный "шум", получая 3D-реконструкцию молекулы, достаточно четкую для визуализации отдельных атомов.

С помощью искусственного интеллекта (ИИ) исследователи смогли сфокусироваться на концах филаментов, а не на их середине, как это было принято ранее. Это позволило им идентифицировать сотни тысяч изображений концов филаментов и получить реконструкции, близкие к атомному масштабу. Они выявили "плоскую" форму (конформацию) актина на некэпированном зазубренном конце, в отличие от "скрученной" конформации на некэпированном заостренном конце.

Данные также детально показали структурные изменения, вызванные двумя кэпирующими белками: CapZ на зазубренном конце и тропомодулином на заостренном. Именно эти белки находятся на концах филаментов в скелетных и сердечных мышцах, играя важнейшую роль в стабилизации актиновых филаментов в мышечных волокнах. Без этих белков наши мышцы распались бы.

Результаты этого исследования дают ключевые механистические детали для более глубокого понимания биологии актина в целом. Исследователи полагают, что эти данные также помогут в понимании и, в конечном счете, лечении расстройств, вызванных дисфункцией актина.