Как структура клетки может приводить к проблемам со здоровьем
Человеческое тело производит 2 миллиона эритроцитов в секунду. Каждый из них живет 120 дней, всё это время совершая полный оборот по телу каждые 20 секунд, перенося кислород из легких в ткани и возвращая углекислый газ для выдоха.
Эритроциты имеют дисковидную форму с двумя углублениями (по одному с каждой стороны) и идеально симметричны в состоянии покоя. В кровотоке они гибко деформируются и складываются, чтобы протиснуться через узкие капилляры, и возвращаются к своей двояковогнутой форме после выхода.
Лаборатория Велии М. Фаулер в Университете Делавэра изучает клеточную архитектуру и то, как внутренний структурный каркас каждой клетки создает её уникальную форму, механическую прочность и функции. Этот каркас состоит из белка актина, который собирается в филаменты (F-актин), напоминающие спиральную нить бус. В отличие от строительных каркасов, F-актин в клетках динамичен: субъединицы актина («бусины») присоединяются и отсоединяются от концов филамента каждую секунду.
F-актин — ключевой регулятор клеточной архитектуры. Его дисрегуляция может приводить к изменению формы и биомеханики клеток, что способствует развитию ряда заболеваний, включая:
- Расстройства крови
- Иммунодефициты
- Мышечные миопатии
- Катаракту и пресбиопию
- Остеопороз, остеоартрит и тендиноз
Исследования лаборатории сосредоточены на трех типах клеток:
- Эритроциты: изучение двух аспектов — как клетки-предшественники перестраивают свой F-актин, чтобы избавиться от ядра, и как F-актин формирует тонкую сеть у мембраны и взаимодействует с моторным белком миозином для контроля формы и гибкости.
- Клетки хрусталика глаза: как структуры F-актина способствуют прозрачности хрусталика и фокусировке для зрения.
- Клетки костно-мышечной системы (кости, хряща, сухожилия): как структуры F-актина поддерживаются для предотвращения проблем.
Основополагающие открытия
Работа опирается на открытия, сделанные Фаулер за 40-летнюю карьеру:
- Как постдок она первой обнаружила миозин в эритроцитах. Без миозина, создающего натяжение в сетях F-актина, клетки-предшественники не смогли бы вытолкнуть ядро, а зрелые клетки не выдержали бы повторяющихся циклов деформации.
- Она открыла ранее неизвестный белок тропомодулин. Этот белок останавливает рост или сокращение концов F-актина, стабилизируя их длину. Когда филаменты одинаковой длины, образуемые ими сети прочнее и стабильнее. Разная длина филаментов приводит к нерегулярным, слабым сетям и аномальной форме клеток.
Функция тропомодулина критически важна для развития сердца и клеток крови, а также для правильной работы многих клеток и тканей (хрусталик, нейроны мозга, эпителий кишечника, эндотелий сосудов, тромбоциты, эритроциты) и для эффективного сокращения скелетных и сердечных мышц.
Недавно команда с участием Фаулер обнаружила, что мутация в белках тропомодулина, нарушающая его функцию, вызывает тяжелую наследственную кардиомиопатию у детей. Это первая прямая связь функции этого белка с болезнью сердца у человека (исследование опубликовано в Communications Biology).
В 2023 году Велия Фаулер была признана пожизненным членом (Lifetime Fellow) Американского общества клеточной биологии (ASCB) за свою работу, включая исследования тропомодулина. Она одна из 19 ученых со всего мира, удостоенных этой чести в текущем году.