Неожиданная структура цитоскелета аксонов
Плазматические мембраны, придающие клеткам форму, обычно поддерживаются линейными сетчатыми структурами из белка актина. Ученые из Медицинского института Говарда Хьюза обнаружили, что в длинных аксонах нервных клеток актин образует периодические кольцевидные структуры.
Эти актиновые структуры образуют петли вокруг аксонов через строго определенные интервалы, которые соединены связанным с актином цитоскелетным белком спектрином. «Никто раньше не видел таких периодических колец, образованных актином», — говорит руководитель исследования, биофизик из Гарвардского университета Сяовэй Чжуан. Авторы, опубликовавшие результаты в выпуске журнала Science от 25 января 2013 года, предполагают, что эти периодически распределенные актиновые кольца, соединенные гибкими тетрамерами спектрина, обеспечивают гибкую, но прочную поддержку тонким нервным волокнам.
Хотя эксперименты показывали, что актин необходим для роста и стабилизации аксонов, его организация в этих волокнах оставалась неизвестной.
Визуализировать структуру актина внутри клеток сложно, так как отдельные актиновые филаменты очень тонкие и плотно упакованы. Однако в 2006 году Чжуан изобрела метод STORM (стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия), позволяющий преодолеть дифракционный предел обычной световой микроскопии. Метод работает за счет последовательной активации и точной локализации отдельных флуоресцентных молекул, что позволяет реконструировать изображение с высоким разрешением.
Используя STORM для изучения меченного флуоресцентным красителем актина в нейронах крыс и мышей, команда смогла разрешить структуры размером до 10 нанометров — примерно в 20 раз меньше, чем позволяет конфокальная микроскопия.
Первоначальной целью было изучение актина в синапсах. Однако постдок Ке Сю заметил неожиданную картину: вдоль аксонов располагались не сплошные светящиеся линии, а регулярно расположенные флуоресцентные точки. Дальнейшее исследование выявило новую структуру цитоскелета.
Точки оказались отдельными кольцами актина, опоясывающими аксон прямо под клеточной мембраной по всей его длине. Каждое кольцо состоит из коротких актиновых филаментов. Кольца разделены спектриновыми «распорками» длиной около 190 нанометров, которые и задают периодичность структуры. Команда предполагает, что такая ребристая структура может придавать длинным аксонам способность изгибаться в нервной системе, не ломаясь, и выдерживать механические нагрузки.
Для сравнения команда также визуализировала актин в дендритах. Там актин образовывал длинные филаменты, идущие вдоль дендритного ствола.
Далее команда обнаружила, что периодичность актина и спектрина может влиять на коммуникацию нервных клеток. Они обнаружили, что натриевые ионные каналы в мембране аксона также распределены периодически, и эта картина соответствует расположению подлежащего кольчатого цитоскелета. «Нельзя не задаться вопросом, влияет ли эта периодичность на потенциал действия», — говорит Чжуан.
Как эффект периодичности ионных каналов, так и механизм развития актин-спектриновых колец, а также их предполагаемая роль в обеспечении гибкости и прочности, остаются предметом дальнейших исследований. «Это только начало. Мы обнаружили нечто настолько новое, что задали больше вопросов, чем ответили», — заключает Чжуан.