Сборка цитоскелета: исследователи установили механизм действия ключевых сигнальных комплексов
Бактериальные патогены, такие как Salmonella, Shigella, Listeria и многие другие, используют белковый скелет клеток, которые они инфицируют, для распространения по организму хозяина. Однако как собирается и перестраивается этот так называемый цитоскелет клеток хозяина? Ответы на этот вопрос могут дать новые подходы для борьбы с возбудителями инфекционных заболеваний.
Международная группа исследователей, включая сотрудников HZI, расшифровала точные молекулярные механизмы активации ключевой сигнальной единицы в ремоделировании цитоскелета. Эти результаты недавно опубликованы в Science Advances.
Клетки нашего организма содержат сложную и часто запутанную сеть филаментов, которая выполняет специфические функции в поддержании или изменении формы клеток во время таких процессов, как эмбриональное развитие или миграция иммунных клеток к инфекционным агентам. Кроме того, цитоскелет играет центральную роль в транспортных процессах как внутри клеток, так и при пересечении барьеров между соседними клетками.
Поэтому неудивительно, что инфекционные агенты выработали множество способов эксплуатации цитоскелета своих хозяев, что позволяет патогенам проникать в клетки хозяина или перемещаться через них для заражения более глубоких тканевых слоев.
"Лучшее понимание цитоскелета и лежащих в его основе молекулярных механизмов его формирования позволит более точно вмешиваться в патогенные процессы", — говорит профессор Клеменс Роттнер, руководитель исследовательской группы молекулярной клеточной биологии в Центре исследования инфекций им. Гельмгольца (HZI) в Брауншвейге.
Международный исследовательский проект, который только что появился в научном журнале Science Advances, был инициирован профессором Баою Ченом из Университета штата Айова, США, и существенно поддержан командой HZI во главе с Клеменсом Роттнером.
Исследователям удалось раскрыть новые фундаментальные детали, касающиеся активации так называемого WAVE регуляторного комплекса (WRC). Этот белковый комплекс собирается на внутренней поверхности плазматической мембраны и действует как центральная сигнальная единица. При активации WRC запускает образование выдающихся выступов цитоскелета, известных как ламеллиподии, которые являются ключевыми структурами, позволяющими клетке мигрировать и поглощать внеклеточные частицы.
В отличие от статического скелета, часть цитоскелета, состоящая из актиновых филаментов, высокодинамична: она постоянно перестраивается и, таким образом, позволяет клеткам развивать двигательные силы для обеспечения миграции клеток и изменения их формы.
Ранее было показано, что WRC отвечает за сборку актиновых филаментов в ламеллиподиях ниже по течению от сигнального переключателя Rac1 — малой GTPазы. "То, что активация WRC была как-то связана с еще одной GTPазой, называемой Arf1, также было известно", — говорит Роттнер. "В текущем исследовании мы хотели понять, как именно Arf1 стыкуется с WRC и что происходит в контексте активации WRC при связывании Arf1".
Используя биохимические и структурно-биологические подходы в Университете штата Айова и клеточно-биологические исследования с использованием технологии CRISPR/Cas9 в HZI, вместе с разнообразным опытом исследователей из Университета Стоуни-Брук, клиники Майо и Университета Питтсбурга, команда определила и охарактеризовала сайт связывания Arf1 на WRC и охарактеризовала его WRC-активирующую функцию.
"В частности, WRC содержит три сайта связывания для сигнальных переключателей: два специфичных для Rac1, которые уже были установлены, и новый — для Arf1. Последний расположен между двумя сайтами связывания Rac", — говорит Роттнер. Исследователи также смогли показать, что Arf1 может связываться с WRC только после связывания Rac1 с его так называемым D-сайтом на комплексе.
"Связывание Rac1 с D-сайтом обеспечивает конформационное изменение на WRC, позволяющее взаимодействовать с Arf1. Такие аллостерические изменения — известные явления в белковой биохимии и, в частности, в контексте регуляции WRC", — объясняет Роттнер.
Исследователи также установили, что оптимальная активация WRC происходит при занятии всех трех сайтов связывания GTPаз. Вместе команда смогла установить, что помимо связывания Rac1, Arf1 является важным сигнальным переключателем на WRC, необходимым для его оптимальной функции.
Такие фундаментальные молекулярные идеи, как в данном случае о регуляции WRC с помощью Arf1, могут представлять потенциальный интерес для прикладных исследований инфекций. "В нескольких предыдущих исследованиях сообщалось о функциях активации Arf1 во вторжении патогенных бактерий в клетки хозяина — например, Salmonella. Это сопровождалось усилением ремоделирования актина, усиливающего поглощение бактерий", — говорит Роттнер.
"Таким образом, Arf1 или его сайт связывания на WRC могут представлять собой потенциальные узлы для вмешательства в стратегии вторжения патогенов". Специфическое вмешательство в этот конкретный механизм действия Arf1 может замедлить локальное ремоделирование актина и, таким образом, ингибировать поглощение бактерий. Роттнер заявляет: "Мы надеемся, что наши идеи вдохновят на разработку новых идей и стратегий для вмешательства в специфические взаимодействия хозяина и патогена".