Криоэлектронная томография впервые показала структуру активного белкового комплекса Arp2/3 внутри клетки

Исследователи из Института науки и технологий (IST) Австрии, используя температуру -196°C, впервые визуализировали, как выглядит активная форма белкового комплекса Arp2/3, критически важного для подвижности клеток. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Многие клетки находятся в постоянном движении. Для заживления ран или борьбы с патогенами они используют тонкие выступы — ламеллоподии, внутри которых находится плотная сеть белковых нитей актина (цитоскелет). Ранее было неясно, как комплекс из семи белков Arp2/3 запускает рост новых актиновых филаментов от уже существующих, создавая разветвленную сеть, которая обеспечивает клетке силу для движения.

Методологический прорыв

До сих пор ученым приходилось выбирать: изучать комплекс Arp2/3 в изоляции (в неактивной конформации) или в связке с актиновыми филаментами с помощью электронной томографии, но с гораздо более низким разрешением. Данные предыдущих исследований in vitro были слишком неточными, чтобы определить расположение отдельных элементов комплекса.

Более двух лет постдок Флориан Фесслер искал способ наблюдать комплекс в его естественной среде. Успех пришел, когда команда под руководством профессора Флориана Шура сфокусировалась на визуализации комплекса внутри ламеллоподий живых клеток мыши.

Шоковая заморозка и 3D-реконструкция

Ключевым этапом стала мгновенная (за миллисекунды) заморозка образцов до -196°C, которая предотвратила образование кристаллов льда, разрушающих тонкие клеточные структуры. С помощью единственного в Австрии мощного криоэлектронного микроскопа ученые получили изображения клеток под разными углами (криоэлектронная томография).

Обработав данные, команда реконструировала 3D-модель более 10 000 комплексов Arp2/3 в активном состоянии с разрешением менее 1 нанометра (для сравнения: толщина человеческого волоса — около 50 000 нм).

Новые биологические insights

Полученная высокоточная модель структуры белка и его субъединиц позволила:

• Опровергнуть одну из ранних моделей, предполагавшую более обширные области связывания комплекса Arp2/3 с актиновыми филаментами.
• Подтвердить другие аспекты регуляции комплекса и механизма образования новых актиновых филаментов.

Это знание поможет другим исследователям лучше понять регуляцию этого важного комплекса, который участвует не только в движении клеток, но и в развитии заболеваний.

Потенциал метода

Как отмечают ученые, эта работа демонстрирует как биологическое открытие, так и методологический прогресс, показывающий пределы возможного для таких сложных образцов. Следующая цель — усовершенствовать метод для визуализации других белков и исследования внутреннего устройства клетки. «Мы только начинаем осознавать полный потенциал криоэлектронной томографии», — заключает Флориан Шур.