Моторные белки и динамика мембран

Мембраны, состоящие из липидного бислоя, определяют внешнюю поверхность ядерных клеток (плазматическую мембрану) и ограничивают жизненно важные органеллы внутри этих клеток, такие как митохондрии и ядра. Кривизна мембраны определяет трёхмерную форму этих структур и является ключевым фактором их функций. Кроме того, способность активно деформировать мембраны необходима для многих клеточных процессов. Используя комбинацию экспериментальных и теоретических подходов, исследовательские группы LMU под руководством профессора Клаудии Файгель (Биомедицинский центр) и профессора Эрвина Фрея (Центр теоретической физики Арнольда Зоммерфельда), которые также являются членами Мюнхенского центра нанонауки (CeNS), продемонстрировали, что белки, называемые молекулярными моторами, непосредственно участвуют в контроле деформации мембран. Новые результаты опубликованы в онлайн-журнале Nature Communications.

Формирование и динамика кривизны мембраны являются результатом сложного взаимодействия множества различных белков, в котором значительную роль играет цитоскелет — с которым взаимодействуют молекулярные моторы. Эти взаимодействия позволяют локально динамично разбирать внутренний скелет клетки и собирать его в новые конфигурации. Эти процессы, в свою очередь, косвенно оказывают силы на цитоплазматическую мембрану. Моторные белки перемещаются по различным системам филаментов, которые вместе составляют цитоскелет, транспортируя молекулярные грузы к местам назначения. Однако сами моторные белки также могут действовать как сигнальные молекулы. «Мы обнаружили совершенно новый тип функции для одного конкретного моторного белка, называемого миозином VI: этот мотор непосредственно взаимодействует с компонентами плазматической мембраны и динамически изменяет её форму», — говорит Лешкир Вюртнер, соавтор исследования.

«Используя флуоресцентные маркеры и микроскопию сверхвысокого разрешения, мы смогли экспериментально подтвердить, что миозин VI связывается непосредственно с мембраной. Комбинируя эти эксперименты с треугольными наночастицами золота, мы также обнаружили, что это взаимодействие происходит удивительно избирательно и высококооперативно — именно в местах, где кривизна мембраны принимает седловидную форму. Сайты связывания появляются в нанопорах, которые индуцируются тепловыми флуктуациями. Когда молекулы миозина VI стыкуются в этих местах, они делают это в динамически изменяемом, цветочном узоре, который может достигать диаметра в несколько микрометров вокруг каждой поры. В наших экспериментах окружность этих "цветов" растёт с постоянной скоростью, которая прямо пропорциональна концентрации доступного миозина», — объясняет Файгель.

Авторы исследования предполагают, что эта вновь обнаруженная функция миозиновых моторов участвует в важных клеточных процессах, таких как эндоцитоз и образование мембранных выпячиваний. «Мы также разработали количественную теоретическую модель, которая правильно описывает взаимодействие белка с мембраной и результирующую динамику морфологии мембраны», — говорит Фрей. «Мы считаем, что в ближайшем будущем наш новый метод и лежащая в его основе модель помогут нам раскрыть другие механизмы деформации мембран и выяснить универсальную роль кривизны мембраны в клеточной функции».