Как механическая сила запускает свёртывание крови на молекулярном уровне

Используя уникальный инструмент для измерения силы на уровне одной молекулы, исследовательская группа получила более чёткое представление о том, как тромбоциты ощущают механические силы, возникающие при кровотечении, чтобы запустить каскадный процесс свёртывания крови.

Помимо лучшего понимания этого жизненно важного процесса, исследование механорецепторной молекулы, запускающей свёртывание, может указать на новую потенциальную мишень для терапии. Избыточное свёртывание ведёт к инфаркту и инсульту, а недостаточное — к опасным для жизни кровотечениям.

Исследование, поддержанное Национальными институтами здравоохранения (NIH) и Национальным научным фондом (NSF), было опубликовано 19 июля в журнале eLife. Это первая подробная работа по механобиологии, изучающая, как механические силы, действующие на одну молекулу на тромбоците, воспринимаются и преобразуются в биохимические сигналы.

В начале процесса свёртывания человеческие тромбоциты используют высокоспециализированную молекулу — гликопротеин Ibα (GPIbα) — для восприятия механических сигналов. В процессе механосенсинга механическая информация преобразуется в химические сигналы (высвобождение ионов кальция), которые изменяют адгезию тромбоцитов. Используя уникальное экспериментальное оборудование, команда соотнесла различные силы, приложенные к молекуле GPIbα, с разными химическими сигналами.

Исследователи изучали, как механические силы снаружи тромбоцитов запускают высвобождение ионов кальция внутри клеток. Они прикладывали силу к молекуле GPIbα через связывание с фактором фон Виллебранда и его мутантной формой, вызывающей болезнь фон Виллебранда (нарушение свёртываемости).

Были зафиксированы два различных механических события: разворачивание двух пространственно разделённых доменов GPIbα. Эти события происходят синергетически, позволяя молекуле оценивать как величину силы, так и время её приложения.

Два события разворачивания играют разные роли в определении количества и качества сигналов — силы и типов высвобождаемых ионов кальция. Сила сигнала связана с продолжительностью действия силы.

• Прочное связывание GPIbα с фактором фон Виллебранда и его продолжительность обусловлены разворачиванием одного домена GPIbα.
• Сильный тип сигнала всегда следует за разворачиванием другого домена GPIbα, которое усиливается при продолжительном воздействии высокой силы.

Эти свойства создают кооперативность — синергетический эффект, приводящий к наивысшему количеству и качеству сигнала при оптимальной силе, действующей дольше всего.

Однако было обнаружено, что мутация фактора фон Виллебранда, связанная с болезнью фон Виллебранда 2-го типа, нарушает синергию между двумя событиями разворачивания, не позволяя молекуле GPIbα эффективно преобразовывать механические сигналы в биохимические.

«Наше исследование показывает ещё один дефект: механосенсорный механизм плохо работает при наличии этой мутации. Тромбоцит просто не получает сигнал для активации», — пояснил профессор Чэн Чжу.

Это знание может потенциально привести к новым методам лечения данной мутации и к новым препаратам для контроля свёртывания.

Уникальный метод исследования

Использованный уникальный наноинструмент — флуоресцентный биомембранный силовой зонд. Он использует эритроцит для приложения силы к одной молекуле на тромбоците. Во время приложения силы исследователи могут с помощью флуоресценции наблюдать за изменением уровня ионов кальция внутри тромбоцита. Возможность такого одновременного измерения стала ключом к раскрытию механизма механосенсинга GPIbα на живом тромбоците.

«В этой работе мы визуализировали конформационные изменения в одном белке и последующее сигнальное событие внутри клетки одновременно», — объяснил Лайнинг (Арнольд) Цзю. — «Разворачивание молекулы GPIbα на поверхности тромбоцита под действием силы в масштабе пиконьютонов запускает высвобождение ионов кальция, "инструктируя" тромбоциты становиться более адгезивными и реактивными».

Два изученных домена GPIbα широко распространены во многих белковых семействах. Разработанные методы могут быть использованы для анализа механосенсинга в других биологических системах.