Механические силы играют ключевую роль в регуляции клеток
Исследователи впервые продемонстрировали, что механические силы могут контролировать деполимеризацию актина — критически важного белка, который формирует основную силовую структуру в цитоскелете клеток. Работа предполагает, что силы, приложенные как извне, так и изнутри, могут играть гораздо большую роль, чем считалось ранее, в регуляции целого ряда процессов внутри клеток.
С помощью экспериментов с атомно-силовым микроскопом (АСМ) в режиме фиксации силы было обнаружено, что растягивающее усилие регулирует кинетику диссоциации актина: в диапазоне низких сил оно увеличивает время жизни связей, а после превышения силового порога — сокращает его. Исследование также выявило возможную молекулярную основу связей, которые образуются, когда механические силы создают новые взаимодействия между субъединицами актина.
Актин, присутствующий в цитоскелете почти всех клеток, формирует динамичные микрофиламенты, обеспечивающие структуру и воспринимающие силы. Способность клетки собирать и разбирать актин позволяет ей быстро двигаться или менять форму в ответ на окружающую среду.
Исследование было опубликовано 4 марта в ранней онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Работа поддержана Национальными институтами здравоохранения (NIH).
Новый взгляд на регуляцию актина
«Впервые мы показали, что механическая сила может напрямую регулировать то, как актин собирается и разбирается, — сказал Ларри Макинтайр, руководитель кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори, автор-корреспондент исследования. — Актин фундаментален для того, как клетки выполняют большинство своих функций и процессов. Это исследование даёт нам совершенно новый способ думать о том, как клетка может делать такие вещи, как перестраивать свой цитоскелет в ответ на внешние силы».
Внешние силы, воздействующие на клетку, могут возникать, например, из-за кровотока, травмы тела или нагрузки на кости и другие ткани при движении организма.
От «проскальзывающих» к «захватным» связям
Исследователи использовали специально сконструированный АСМ. Наконечник был покрыт мономерами актина, а полистиреновая поверхность под ним — мономерным или филаментозным актином. Для изучения связей наконечник приближали к поверхности для образования связи, а затем отводили, чтобы растянуть её. Напряжение удерживали постоянным для измерения времени жизни связи при заданной силе.
Было обнаружено, что растягивающие силы, приложенные к актину, создают «захватные» связи (catch bonds), время жизни которых увеличивается с ростом силы. Такие связи были показаны и для других белков, но актин — наиболее важный белок, формирующий подобные структуры. Большинство связей на клеточном уровне являются «проскальзывающими» (slip bonds), которые, в отличие от «захватных», быстрее разрываются при приложении силы.
Молекулярный механизм и значение открытия
С помощью молекулярно-динамического моделирования были предсказаны конкретные аминокислоты, важные для формирования «захватных» связей. Эксперименты подтвердили молекулярный механизм — солевой мостик лизин-глутаминовая кислота, который, как полагают, отвечает за образование долгоживущих связей между субъединицами актина при приложении силы.
«Мы обнаружили, что когда вы прикладываете силу, она индуцирует дополнительные взаимодействия на атомном уровне, — сказал Ченг Чжу, соавтор-корреспондент статьи. — При приложении силы обнаруживается, что остатки, которые ранее не контактировали, теперь взаимодействуют. Это взаимодействия, индуцированные силой».
Доказательство того, что приложение силы может играть роль во внутренних функциях клеток, демонстрирует растущую важность относительно нового направления исследований — механобиологии, изучающей, как механические воздействия влияют на живые ткани.
«Описанный нами механизм может обходить клеточные сигнальные механизмы, потому что актин воспринимает силу в клетке», — отметил Чжу.
Эта работа открывает путь для дополнительных исследований других биохимических реакций, которые могут быть вызваны приложением силы.