1815
Біофізики з Університету Еморі безпосередньо зафіксували, що актинові філаменти в м’язових клітинах можуть рости з кінця, який десятиліттями вважали «закритим» для такого росту. Як повідомляє SciTechDaily, ключову роль у цьому відіграє білок леомодин 2, який допомагає підтримувати правильну довжину філаментів і пов’язаний із деякими серцевими захворюваннями.
Як м’язи зберігають ідеальну довжину актину
М’язові клітини мають унікальну задачу: їхні актинові філаменти повинні залишатися строго визначеної довжини, щоб м’язи могли нормально скорочуватися. Водночас ці ж філаменти постійно старіють, руйнуються і потребують оновлення. Як поєднати стабільну довжину з безперервною перебудовою, залишалося незрозумілим десятки років.
Актин є одним із найпоширеніших білків організму. Він утворює філаменти, що формують внутрішній «скелет» клітин, визначають їхню форму та беруть участь у русі, поділі клітин і роботі імунних клітин. У більшості клітин актинові філаменти утворюють розріджені сітчасті структури.
У м’язах усе організовано набагато впорядкованіше. Тут актин і міозин формують прямі, стабільні структури — саркомери, найменші функціональні одиниці м’язового скорочення. Усередині саркомера актинові філаменти ковзають уздовж міозину до центру, скорочуючи саркомер, але при цьому зберігаючи власну довжину.
«Від народження до смерті довжина актинових філаментів у м’язових клітинах залишається однаковою. Вона дуже жорстко контролюється», — пояснює керівник роботи Шашанк Шекхар (Shashank Shekhar), доцент фізики в Університеті Еморі.
Класична модель «бігової доріжки» під сумнівом
Кожен актиновий філамент має два різні кінці: загострений, або мінус-кінцець, і зазубрений, або плюс-кінцець. Протягом понад 40 років домінувала модель, за якою актинові субодиниці відщеплюються з мінус-кінця, а нові приєднуються на плюс-кінці. Цей процес називають «тредмілінгом», бо філамент наче «рухається вперед», хоча його довжина може залишатися сталою.
У м’язових клітинах ця схема ускладнюється. У саркомерах довжина філаментів дуже точно фіксована, а плюс-кінці додатково «закриті» спеціальним білком, який блокує приєднання нових актинових молекул. Попри це, філаменти все одно оновлюються.
«Актинові філаменти в саркомерах, з якими ви народилися, — це не ті самі філаменти, що в ваших саркомерах сьогодні», — зазначає Шекхар. Як саме відбувається їхнє збирання й ремоделювання, залишалося відкритим питанням.
Підказка від токсину холерного вібріона
Натяк на альтернативний механізм з’явився в попередніх роботах Шекхара та його колег з Університету штату Огайо. Вони вивчали токсин бактерії Vibrio cholerae, збудника холери. У нем’язових клітинах цей токсин здатен «перевернути» звичний тредмілінг і змусити актинові філаменти рости саме з мінус-кінця.
Це наштовхнуло Шекхара та аспірантку Судіпту Бісвас (Sudipta Biswas) на думку, що здорові м’язові клітини можуть використовувати подібний принцип, але за участі власного білка-каталізатора.
Бісвас зосередилася на леомодині 2 — формі леомодину, яка локалізується біля загострених кінців актинових філаментів у клітинах серцевого м’яза. За її словами, цей білок має домени, подібні до доменів токсину Vibrio.
Попередні експерименти в культурі клітин уже натякали, що леомодин 2 впливає на довжину філаментів: коли його видаляли з кардіоміоцитів, актинові філаменти ставали коротшими, а надлишок леомодину 2 призводив до надмірного подовження філаментів.
Мікрофлюїдика й флуоресценція: як побачити ріст з мінус-кінця
Щоб з’ясувати, що саме робить леомодин 2 на молекулярному рівні, Бісвас застосувала мікрофлюїдно-асистовану флуоресцентну мікроскопію повного внутрішнього відбиття (mf-TIRF). Це високоспеціалізований метод, який дозволяє спостерігати за рухом окремих білкових молекул під час збирання й розбирання актинових філаментів.
Лабораторія Шекхара — одна з небагатьох у світі, що використовує mf-TIRF для таких досліджень. Дослідники мітять різні білки флуоресцентними барвниками, вводять їх у мікрофлюїдну систему й відстежують за випромінюванням.
Спочатку Бісвас закріпила молекули леомодину 2 на дні мікрофлюїдної камери. Потім додала актин, позначений червоним флуоресцентним барвником. Актин почав збиратися у філаменти, які залишалися «прив’язаними» своїми загостреними кінцями до леомодину 2, виглядаючи як крихітні червоні «черв’ячки», що ростуть.
Ключове питання полягало в тому, де саме додаються нові актинові субодиниці. Щоб це перевірити, дослідниця ввела до системи другу порцію актину, цього разу позначену зеленим барвником. Зелені молекули почали накопичуватися біля основи, де був закріплений леомодин 2. З кожним додаванням зеленого актину червоні ділянки філаментів відсовувалися від основи у напрямку потоку рідини.
Зміна кольору уздовж філамента стала прямим свідченням того, що нові «цеглинки» приєднуються саме на загостреному, мінус-кінці, а не лише на протилежному боці.
«Ми вперше надали прямі молекулярні докази того, що актинові філаменти ростуть зі своїх загострених кінців», — каже Бісвас. За її словами, ці результати спростовують уявлення, що такий ріст неможливий.
Зв’язок із серцевими хворобами
Отримані дані також пояснюють, чому мутації в гені леомодину 2 можуть призводити до патологічних змін актинових філаментів у серцевому м’язі — вони стають або надто короткими й тонкими, або надмірно довгими й тонкими.
Одна з таких мутацій пов’язана з дилатаційною кардіоміопатією — захворюванням, при якому серцевий м’яз поступово слабшає, а здатність серця ефективно перекачувати кров знижується.
За словами Бісвас, розуміння того, як саме мутація порушує збирання скоротливого апарату серця на молекулярному рівні, часто є першим кроком до пошуку способів лікування або профілактики хвороби.
Робота команди з Еморі не лише переглядає багаторічну модель росту актинових філаментів, а й демонструє, як фундаментальні механізми цитоскелета безпосередньо пов’язані з розвитком серйозних м’язових і серцевих розладів.
Білок леомодин 2 змушує м’язові філаменти рости з «неможливого» кінця з’явилася спочатку на Цікавості.
