Как работает мотор ресничек: новый взгляд с помощью крио-электронной томографии
Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) с помощью крио-электронной томографии раскрыли детали того, как моторный белок динеин заставляет реснички биться. Понимание этого движения может помочь в решении проблем со здоровьем, связанных с дисфункцией ресничек, — от бесплодия до заболеваний лёгких и COVID-19.
Реснички выполняют в организме человека ключевые функции:
- В маточных трубах они продвигают яйцеклетку.
- Они формируют хвост сперматозоида, влияя на фертильность.
- В дыхательных путях они выводят вирусы и пыль.
- В эмбрионах их биение помогает установить лево-правую асимметрию.
Дисфункция ресничек связана с различными заболеваниями лёгких, а вирус COVID-19, как известно, поражает клетки дыхательных путей, обладающие ресничками.
Механизм движения ресничек
Реснички совершают метахронное движение — сотни ресничек на клетке бьются последовательно, как «мексиканская волна». Движение обеспечивает моторный белок динеин, названный в честь единицы силы «дин».
Структура реснички состоит из девяти пар микротрубочек, расположенных по кругу. Их соединяют сотни моторных белков динеина. Используя энергию ATP (универсальная энергетическая «валюта» клетки), динеин меняет форму, сдвигая микротрубочку, к которой прикреплён, и заставляя пару микротрубочек изгибаться.
Крио-электронная томография в действии
В новом исследовании, опубликованном в The EMBO Journal, учёные сосредоточились на том, как динеин генерирует силу, изучив детальное движение его части — наружных динеиновых рук (outer dynein arms).
Аспирантка и первый автор исследования Ноэми Циммерманн выделила из тела планктона аксонему — бьющуюся часть реснички, содержащую динеин. Добавление ATP заставляло моторы двигаться: «Удивительно, но изолированные аксонемы продолжают биться — как механическая деталь».
Образцы быстро замораживали в жидком азоте. Сделав миллионы снимков крио-электронной микроскопии под разными углами, учёные смогли восстановить движение наружной динеиновой руки в 3D. Они описали различные конформации (пространственные формы) белка в ходе рабочего цикла (power stroke cycle), аналогичного фазам гребка в плавании кролем.
Ключевое открытие: были идентифицированы несколько ранее неизвестных промежуточных конформаций. Они показали, как точки закрепления белка на микротрубочке перекрещиваются в начале цикла. «Это стало сюрпризом, так работало не так, как ожидало большинство», — отмечает Циммерманн.
Следующий шаг: координация сотен моторов
Это исследование добавляет один фрагмент в огромный пазл сложного движения ресничек. На каждой ресничке сотни моторных белков динеина должны работать согласованно, как синхронные пловцы, чтобы координировать изгиб микротрубочек.
«Если они будут генерировать силу случайным образом, это не приведёт к слаженному движению», — говорит Такаши Ишикава. Вопрос о том, как динеины «общаются» друг с другом для достижения этого, — следующая задача, над которой уже работает его команда.