Молекулярные «мышцы» клеток помогают им чувствовать и реагировать на окружающую среду
Исследователи из Университета Джонса Хопкинса использовали всасывание, чтобы выяснить, что отдельные «молекулярные мышцы» внутри клеток реагируют на разные типы силы. Это открытие может объяснить, как клетки «ощущают» среду и соответствующим образом адаптируют свою форму и активность.
Исследование, опубликованное 20 октября в журнале Nature Materials, проливает свет на то, как внешние по отношению к клетке силы преобразуются во внутренние сигналы.
Разработанная исследователями компьютерная модель также позволяет предсказать, как клетка отреагирует на изменение уровня этих «мышц» — обычное явление при различных типах рака.
«Теперь мы можем начать объяснять, что происходит при различных заболеваниях, потому что понимаем фундаментальные механизмы того, как клетки воспринимают разные силы и реагируют на них», — говорит Дуглас Робинсон, профессор клеточной биологии.
«Впервые мы можем объяснить, что может делать клетка, через индивидуальную работу разных белков. Поскольку все клетки используют информацию о силах в своей среде для принятия решений о миграции, делении и судьбе клетки, эта работа имеет значение для целого ряда клеточных нарушений, включая метастазирование рака и нейродегенерацию», — добавляет он.
Клетки постоянно подвергаются воздействию сил: от столкновений с молекулами воды до сжатия в капиллярах. Они ощущают свою среду через белки, расположенные под «кожей» клетки (плазматической мембраной).
Как клетки чувствуют и реагируют на эти силы, было плохо изучено. Детали проясняет новая компьютерная модель, разработанная совместно с инженерами.
Команда исследовала белки, чувствующие среду, — часть сети (цитоскелета), которая окружает внутренний край клетки, придавая ей форму и структуру. Наиболее распространённый белок — актин, образующий короткие стержни, скреплённые в решётку линкерными белками. Есть также якорные белки, прикрепляющие стержни актина к мембране. Вместе эти компоненты действуют как «молекулярные мышцы», позволяя клетке менять форму.
- К 37 белкам цитоскелета присоединили флуоресцентные метки.
- На клетки оказывали давление с помощью крошечной стеклянной трубки, создавая «шейку» (как если бы шланг пылесоса присосался к слегка надутому шарику).
- Под микроскопом записывали, как каждый белок реагирует на деформацию: куда движется, сколько его перемещается и как быстро.
Результаты:
В эксперименте действовали два типа силы:
- Дилатация (растяжение) на кончике «шейки»: форма сохранялась, но площадь увеличивалась.
- Сдвиг в удлинённой части «шейки»: площадь сохранялась, но форма менялась.
Было обнаружено три разных линкерных белка, которые перемещались в «шейку» в ответ на эти силы. Неожиданно каждый из них перемещался в свою часть «шейки» в ответ на разные силы.
- Миозин II (действует как пружина, стягивающая стержни актина) реагировал на дилатацию и обильно покрывал кончик «шейки», чтобы противодействовать растяжению в этой области.
- Альфа-актинин (укрепляет цитоскелет, формируя параллельные пучки) также реагировал на дилатацию, но ограничивался самым кончиком «шейки».
- Филамин (действует как подвижный шарнир, соединяющий стержни актина под углом) реагировал на силу сдвига и перемещался только в длинную часть «шейки».
Вооружившись этой информацией, команда создала компьютерную симуляцию всех задействованных сил и «молекулярных мышц». Когда они создали генетические мутанты, лишённые одного из этих игроков, клетки вели себя именно так, как предсказывала их модель.