Демонстрация значимости отдельных молекул при механическом стрессе в клетках

Клетки в нашем организме постоянно подвергаются механическим воздействиям — как внешним, так и генерируемым самими клетками. Способность реагировать на такие механические стимулы — необходимое условие для множества биологических процессов.

Однако то, как клетки обрабатывают механические стимулы, изучено плохо, поскольку не хватает методов для исследования тонких механических сигналов внутри клеток. Исследователи из Мюнстерского университета (Германия) разработали метод изменения механики отдельных молекул и изучения их функции в клетках. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Команда под руководством клеточного биолога профессора Карстена Грашхоффа создала метод, позволяющий с помощью светочувствительной молекулы изменять белки и механически контролировать их короткими световыми импульсами. Учёным удалось разрывать отдельные белки с высоким временным и пространственным контролем, что позволило исследовать их механическую значимость в клетках.

Первые эксперименты продемонстрировали функцию двух молекул, которые важны не только для адгезии клеток, но и, как предполагается, играют ключевую роль в ряде заболеваний:

• Белок талин необходим для передачи механических сил при адгезии клеток в соединительной ткани — процесс, критически важный, например, для миграции клеток.
• Белок десмоплакин важен для сопротивления механическому стрессу в межклеточных контактах (десмосомах) эпителиальных тканей, таких как кожа.

Механические стимулы, как и многие другие сигналы, в конечном итоге обрабатываются в клетках на уровне отдельных белков. Хотя за последние годы исследователи идентифицировали ряд молекул, непосредственно подвергающихся механическим силам в клетках, часто оставалось неясным, насколько важны механические вклады отдельных белков в этих сложных клеточно-биологических процессах.

Эксперименты команды Грашхоффа стали возможны благодаря использованию светочувствительного соединения, которое, несмотря на способность выдерживать высокие механические нагрузки, разрушается под воздействием светового излучения. Схожие светочувствительные белки есть у растений, где они регулируют ориентацию к свету. Встраивая эти «запланированные точки разрыва» в определённые гены (талина и десмоплакина) с помощью методов молекулярной биологии, команда получила клетки соединительной ткани и кожи, которыми можно было управлять лазерным лучом на уровне отдельных белков. Модуляция и анализ живых клеток, полученных из моделей культур клеток мыши, проводились методами флуоресцентной микроскопии.

«Вместе эти результаты дают представление о том, как механические свойства определённых клеточных структур могут контролироваться отдельными белками», — говорит Грашхофф.

Поскольку разработанная методика является генетически кодируемой и, следовательно, может быть встроена в любую точку генома, исследователи надеются, что она найдёт широкое применение для изучения механобиологических свойств многих других белков в живых клетках, модельных организмах и моделях заболеваний.