Первое изображение молекулярной машинерии, заставляющей реснички биться

Международная группа учёных, включающая исследователей из UCL, впервые получила изображение структур, которые приводят в движение человеческие реснички — микроскопические волосовидные выросты, выстилающие дыхательные пути. Это открытие может привести к созданию столь необходимых методов лечения для людей с редкими заболеваниями ресничек.

Исследование, опубликованное в Nature, объединило методы продвинутой микроскопии и искусственного интеллекта, чтобы создать детальный снимок структуры человеческих ресничек. Эти микроскопические выросты на клетках, выстилающих наши лёгкие, уши и пазухи, ритмично бьются, очищая лёгкие от слизи и бактерий. Люди с наследственным заболеванием — первичной цилиарной дискинезией (ПЦД) — имеют дефектные реснички, которые не могут эффективно удалять частицы из дыхательных путей, что приводит к проблемам с дыханием и хроническим лёгочным инфекциям.

Впервые учёные визуализировали молекулярную «наномашинерию», заставляющую реснички биться. Она видна как идентичные структуры, расположенные через каждые 96 нанометров по длине реснички. Эти структуры объединяются, формируя аксонему. В здоровых дыхательных путях эта сложная структура строго контролируется: молекулы расположены с высокой точностью, чтобы реснички бились ритмично, волнообразным движением, около миллиона раз в день.

У людей с ПЦД команда обнаружила, что реснички бьются неправильно, потому что ключевые элементы структуры аксонемы отсутствуют из-за генетических мутаций. Эта новая информация может привести к созданию лекарств, нацеленных на эти дефекты и заставляющих реснички работать правильно.

Соавтор исследования, профессор Ханна Митчисон (UCL Институт здоровья ребёнка на Грейт-Ормонд-стрит), заявила: «Современные методы лечения ПЦД направлены на очистку дыхательных путей и предотвращение инфекций. Наши открытия дают возможность создания молекулярных лекарств, которые будут точно нацеливаться на крошечные дефекты в аксонеме и заставят реснички биться как следует».

«Молекулярные лекарства показывают перспективу для других редких заболеваний, а исследования COVID-19 открыли новые способы доставки этих препаратов непосредственно в лёгкие. Если мы сможем объединить эти достижения с нашими новыми данными, я надеюсь, что мы сможем предоставить молекулярные лекарства людям с ПЦД в течение следующих 5–10 лет».

Исследование команды также может оказаться полезным для решения проблем бесплодия, поскольку сперматозоиды используют похожую структуру аксонемы в своих хвостиках для движения вперёд.

Исследовательская группа представляла собой глобальную коллаборацию учёных из Великобритании, США, Нидерландов, Китая и Египта. «Изучать редкие заболевания, такие как ПЦД, сложно, потому что пациенты рассеяны по всему миру. В Великобритании, по нашим оценкам, около 9000 семей могут быть затронуты ПЦД», — сказала профессор Митчисон. — «Наше исследование стало возможным благодаря фантастическому международному сотрудничеству клинических учёных, биологов и представителей сообщества редких заболеваний, готовых принять участие в нашей работе».

Помимо человеческих ресничек, команда изучила структуру аксонемы одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii, которая использует два хвостовидных выроста на своей поверхности для плавания. Несмотря на более чем миллиард лет эволюционного расхождения, хвосты водоросли имели структурное сходство с ресничками дыхательных путей человека, подчёркивая важность аксонемы на протяжении всей эволюции.