Многофункциональные филаменты в живых клетках
Клетки нашего организма постоянно подвергаются механическим нагрузкам. Например, сердце и легкие выдерживают многолетнее расширение и сокращение, кожа должна быть устойчивой к разрывам, сохраняя эластичность, а иммунные клетки — мягкими для перемещения по телу. Важную роль в этих свойствах играют особые белковые структуры — промежуточные филаменты. Исследователям Гёттингенского университета впервые удалось точно измерить, какие физические эффекты определяют свойства отдельных филаментов, а какие особенности возникают только при взаимодействии многих филаментов в сетях. Результаты опубликованы в PNAS.
Одна из ключевых систем, обеспечивающих стабильность, эластичность и устойчивость клеток к механическому стрессу, — цитоскелет: сложная сеть белков и филаментов, в основном образованная тремя типами нитевидных белковых структур с разными функциями. Промежуточные филаменты относятся к этой группе. Их сети выдерживают огромные силы, не повреждаясь, выступая в роли амортизаторов клеток. Одновременно они могут служить внутренней опорой при сильной деформации, предотвращая разрыв клетки.
Для изучения этих свойств команда создала в лаборатории искусственные сети промежуточных филаментов и использовала движение встроенных микроскопических сфер, чтобы исследовать поведение всей сети. В сетях наблюдаются перекрывающиеся эффекты: поведение отдельных филаментов при растяжении, а также сила и частота взаимодействия филаментов в точках их пересечения. Поэтому исследователи изучили эти аспекты отдельно:
- Растянув отдельные филаменты, они определили необходимые для этого силы.
- Сведя два филамента в перекрестном контакте, они потянули за точку пересечения, перемещая один из филаментов. Расположив филаменты как "микроскопическую скрипку", они смогли определить точную силу и частоту, с которой филаменты связываются друг с другом.
Эти результаты также удалось воспроизвести с помощью компьютерного моделирования. Кроме того, команда обнаружила, что сети трансформируются в течение неожиданно долгого времени и медленно "стареют" на протяжении недели, поскольку филаменты становятся длиннее или объединяются в пучки.
"Все эти наблюдения углубляют наше понимание того, как нашим клеткам удается быть невероятно прочными и одновременно гибкими", — объясняет первый автор Анна Шепенс из Института рентгеновской физики Гёттингенского университета. "Кроме того, более четкая картина промежуточных филаментов помогает понять, как и почему меняются механические свойства клеток, например, при заживлении ран или в метастазирующих раковых клетках", — добавляет руководитель исследования профессор Сара Кёстер.