Мощный микроскоп впервые запечатлел наноскелет, способствующий движению клеток

Движение клеток необходимо во многих процессах: при эмбриональном развитии, для перемещения иммунных клеток к патогенам и для миграции фибробластов для заживления ран. Однако оно может быть и опасным, как при метастазировании раковых клеток или инвазии бактерий и вирусов. Понимание механизмов движения, в котором ключевую роль играют актиновые филаменты, важно для разработки методов его контроля.

Ученые из Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute (SBP) и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл (UNC-Chapel Hill) с помощью мощного крио-электронного микроскопа впервые визуализировали на молекулярном уровне плотный, динамичный и неупорядоченный наноскелет из актиновых филаментов, напоминающий стог сена. Эта структура формируется в ответ на молекулярный сигнал. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

«Крио-электронная микроскопия революционизирует наше понимание внутренней работы клеток», — говорит Дорит Ханеин, старший автор статьи. — «Эта технология позволила нам получить детальные 3D-изображения клеток в их естественном состоянии и выявить ранее невидимую наноархитектуру актина».

В исследовании использовали крио-электронный микроскоп SBP (Titan Krios), искусственный интеллект и специальные вычислительные методы. Ученые сравнивали наномасштабные изображения фибробластов мыши со световыми изображениями флуоресцентного белка Rac1, который регулирует движение клеток. Эта технически сложная методика, охватывающая пять порядков величины (от десятков микрометров до нанометров), разрабатывалась несколько лет.

Изображения показали плотную, дезорганизованную каркасную структуру из коротких актиновых стержней. Эти структуры появлялись в областях активации Rac1 и быстро исчезали (всего за 2,5 минуты) после прекращения сигнала. Этот динамичный каркас резко контрастировал с другими актиновыми сборками в зонах низкой активности Rac1. Объем, занятый актиновым каркасом, был лишен обычных клеточных структур, вероятно, из-за его высокой плотности.

«Мы были удивлены, обнаружив эти уникальные "горячие точки" из невыровненных, плотно упакованных актиновых стержней, коррелирующие с активацией Rac1», — отмечает Нильс Фолькманн, соавтор исследования. — «Мы считаем, что эта неупорядоченность — сила каркаса: она обеспечивает гибкость для построения более крупных и сложных архитектур в ответ на локальные сигналы».

В дальнейшем ученые планируют расширить протокол для визуализации структур, формируемых в ответ на другие молекулярные сигналы, и усовершенствовать технологию для изучения других областей клетки.

«Это исследование — только начало. Теперь, когда мы разработали этот количественный наномасштабный метод, его можно использовать не только для расшифровки механизмов движения клеток, но и для изучения динамики многих других макромолекулярных машин в естественной клеточной среде», — говорит Ханеин.

Она добавляет, что актин — это белок-строительный блок, взаимодействующий более чем с 150 другими белками для создания разнообразных структур. Картирование других сигнальных путей может дать еще больше информации о том, как движутся клетки.