Как формины собирают актиновые филаменты: новая структурная модель

Актин — ключевой белок, определяющий форму и движение клеток, собираясь в филаменты по одной молекуле за раз. Белки семейства форминов играют в этом процессе решающую роль: они связываются с растущим концом филамента, рекрутируют новые субъединицы актина и "шагают" вместе с ним.

В клетках человека существует до 15 различных форминов, которые обеспечивают рост актиновых филаментов с разной скоростью для различных целей. Однако точный механизм их работы и причины различий в скорости оставались неясными.

Исследователи из Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде впервые визуализировали на молекулярном уровне, как формины связываются с концами актиновых филаментов. Это позволило раскрыть механизм, с помощью которого формины опосредуют добавление новых молекул актина к растущему филаменту, а также объяснить различия в скоростях работы разных форминов.

Для этого учёные использовали комбинацию биохимических методов и криоэлектронной микроскопии (cryo-EM). Прорывное исследование, опубликованное в журнале Science, может помочь объяснить, почему определённые мутации в форминах приводят к неврологическим, иммунным и сердечно-сосудистым заболеваниям.

Объединение усилий

Предыдущие структуры, полученные методом рентгеновской кристаллографии, показали, что формины состоят из двух идентичных частей, которые охватывают актиновый филамент в виде кольца и шагают вдоль него по мере роста. Однако эти исследования не давали высокоразрешающих структур форминов, связанных с активным (заострённым) концом филаментов.

Учёные проанализировали три различных формина (из грибов, мышей и человека), которые удлиняют актиновые филаменты с очень разной скоростью. Один из них работает очень быстро ("Феррари"), а другой — значительно медленнее ("трактор"). Ключом к успеху стала итеративная оптимизация биохимических условий и подготовки образцов для cryo-EM.

Новая парадигма

Новые структуры с разрешением около 3.5 Å показали, что формины охватывают актин как асимметричное кольцо: одна половина кольца стабильно связана с филаментом, а другая — слабо ассоциирована и свободна для захвата новой субъединицы.

Когда новая субъединица актина прибывает и присоединяется к филаменту, это дестабилизирует расположение формина. В результате стабильная половина кольца должна "перешагнуть" на новую субъединицу и стать слабосвязанной, а другая половина — стать стабильной. Благодаря этому согласованному механизму формины остаются связанными с растущим концом филамента на больших расстояниях.

Вопреки предыдущим гипотезам, структуры всех трёх проанализированных форминов оказались схожими, и одновременно с актином взаимодействуют только три из четырёх доменов связывания.

Введя мутации в формины, исследователи также объяснили различия в скорости: если кольцо формина связано с концом актинового филамента более плотно, ему труднее "отпустить" его и перешагнуть на новую входящую субъединицу. В результате рост филамента замедляется.

Новые данные открывают множество возможностей для выяснения специфических ролей пятнадцати человеческих форминов на клеточном уровне и понимания того, как мутации в генах форминов приводят к тяжёлым заболеваниям.