Ученые раскрыли механизм клеточного ремоделирования

Актиновые филаменты — один из ключевых элементов, организующих архитектуру клетки и обеспечивающих ее движение. Понимание того, как и где клетки строят новые актиновые филаменты, — центральный вопрос клеточной биологии.

Долгое время считалось, что разные типы актиновых структур создаются разными нуклеаторами. Однако последние генетические исследования показали, что нуклеаторы чаще действуют совместно.

В статье, опубликованной в журнале Science, лаборатории Брюса Гуда и Джеффа Геллеса продемонстрировали, что сборка актиновых филаментов зависит от механизма, названного ими «Ракетной установкой» (Rocket Launcher). Он запускает сборку новых филаментов взрывными стадиями.

Исследование возглавил доктор Деннис Брайтшпрехер. Команда пометила флуоресцентными метками три молекулы:

• Актин — строительный блок филаментов.
• mDia1 — белок семейства форминов, стимулирующий быстрый рост филаментов.
• APC (аденоматозный полипозный белок толстой кишки) — мутировавший белок, вызывающий более 80% случаев рака толстой кишки человека, который связывается с mDia1.

Это позволило в реальном времени наблюдать полимеризацию актиновых филаментов и увидеть, как именно APC и mDia1 совместно запускают образование и рост филамента.

«В клетке есть механизмы, сдерживающие спонтанное образование актиновых филаментов. Это не меняется, пока нуклеатор (или пара нуклеаторов, как в данном случае) не будет доставлен в определенное место в клетке и не запустит образование нового филамента», — говорит Брюс Гуд.

По аналогии Гуда: клетка полна «растопки и кислорода», но «пожар» (полимеризация) не начнется без «искры» — нуклеатора.

«Это мощные белки (mDia1 и APC), и достаточно всего одной пары, чтобы построить длинный филамент, состоящий из тысяч молекул актина», — отмечает Гуд.

Для съемки процесса использовалась многоцветная флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения (TIRF) с визуализацией одиночных молекул — методика, разработанная в лаборатории Геллеса. Она позволяет наблюдать в реальном времени поведение молекул в многокомпонентных реакциях.

Команда использовала генетически закодированные белковые метки (snap tags), присоединив по одной молекуле красителя к каждому белку. В фильме видны точки слияния трех белков: mDia1 (красная точка), APC (синяя точка) и актин (зеленая точка). Было установлено, что построение нового актинового филамента происходит в два этапа.

APC играет ключевую роль в рекрутировании молекул актина для формирования зародыша полимеризации, в то время как формин mDia1 отвечает за удлинение и защиту конца филамента.

«Для построения актинового филамента в клеточных условиях необходимы оба белка. APC запускает образование филамента, а формин, находясь на растущем конце, защищает его от белков-«крышек», которые в противном случае остановили бы рост», — пояснил Гуд.

Именно этот механизм, при котором белки начинают работу вместе, после чего формин «стартует» от APC, напомнил ученым ракетную установку.