Ученые определили плотную актиновую нить накаливания, способствующую движению клеток

Есть несколько случаев, когда человеческие клетки должны двигаться. Формирование тела (эмбриональное развитие) направляется подвижными клетками. Иммунные клетки стремятся захватить нежелательных злоумышленников, и целительные клетки (фибробласты) путешествуют, чтобы восстановить раны.

Изображения с помощью криоэлектронного микроскопа сборки актина в клетке в отсутствие молекулярного сигнала (слева) и сена, похожего на стог сена наноаффолда актина это было вызвано в ответ на молекулярный сигнал (Rac1) и способствует движению клеток (справа). Структура появилась в определенных областях, где был активирован Rac1, и быстро рассеялась, когда прекратилась передача сигналов Rac1 – всего за две с половиной минуты. (Фото предоставлено Институтом медицинских исследований им. Сэнфорда Бернхэма Пребиса)

Однако не все движения выгодны. Например, когда раковые клетки приобретают способность перемещаться по всему телу (метастазирование), опухоли становятся наиболее опасными. Конкретные бактерии и вирусы могут использовать механизм подвижности клеток для атаки на человеческие тела. Ключ к изучению того, как остановить или поддержать подвижность клеток для улучшения здоровья человека, дает понимание того, как клетки движутся – и нитевидные актиновые филаменты, которые управляют процессом.

Исследователи из Института медицинских исследований им. Сэнфорда Бернхэма Пребиса (SBP) и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле (UNC-Чапел-Хилл) в настоящее время используют один из самых мощных микроскопов в мире для определения плотного, неорганизованного и динамичного нанокаффолд из актиновой нити, похожий на стог сена, стимулируется в ответ на молекулярный сигнал. Ученые впервые непосредственно визуализировали структуру на молекулярном уровне, которая стимулируется в ответ на клеточный сигнал – ключевой вывод, который расширяет понимание подвижности клеток человека. Об исследовании сообщается в Слушаниях Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (PNAS).

Тироэлектронная микроскопия революционизирует наше понимание внутренней работы клеток. Эта технология позволила нам собирать надежные трехмерные изображения областей клеток – подобно МРТ, которое создает детальные изображения нашего тела. Мы смогли визуализировать клетки в их естественном состоянии, что выявило никогда невиданную нано-архитектуру актина в клетке .

Дорит Ханейн, доктор философии, профессор, Программа биоинформатики и структурной биологии, SBP

Дорит Ханейн – старший автор статьи.

В рамках исследования ученые сравнили наноразмерные изображения фибробластов мыши с световыми изображениями флуоресцентного Rac1 с метками времени – белка, который регулирует движение клеток, реакцию на силу или напряжение (механосенсинг) и инвазию патогена – с использованием крио SBP -электронный микроскоп (Titan Krios), искусственный интеллект (AI), а также изготовленные на заказ вычислительные и клеточные методы визуализации. Этот технически сложный рабочий процесс, который преодолел пять порядков в масштабе (десятки микрон до нанометров), занял годы, чтобы вырасти до его нынешнего уровня точности и надежности, и был обеспечен благодаря экспериментальным и вычислительным усилиям групп структурных биологов в SBP и группа биосенсоров в UNC-Chapel Hill.

Изображения показали плотно упакованную, подобную скаффолду, неорганизованную структуру, состоящую из коротких стержней актина. Эти структуры появились в определенных областях, где Rac1 был запущен и быстро рассеялся, когда передача сигналов Rac1 прекратилась – примерно через две с половиной минуты. Этот динамический каркас имел существенную разницу с различными другими актиновыми сборками в областях с низкой активацией Rac1 – некоторые из них состояли из длинных, выровненных стержней актина, а другие – из коротких актиновых стержней, разветвляющихся со стороны более длинных актиновых филаментов. В объеме, охватывающем актиновый каркас, полностью отсутствовали общие клеточные структуры, такие как микротрубочки, рибосомы, везикулы и т. Д., Вероятно, из-за высокой плотности структуры.

Мы были удивлены, что эксперимент за экспериментом выявил эти уникальные горячие точки не выровненных, плотно упакованных актиновых стержней в областях, которые коррелировали с активацией Rac1 . Мы полагаем, что это расстройство на самом деле является сильной стороной эшафот – оно предоставляет гибкость и универсальность для создания более крупных и сложных архитектур актиновых филаментов в ответ на дополнительные локальные пространственные сигналы .

Нильс Фолькманн, доктор философии, профессор, Программа биоинформатики и структурной биологии, SBP

Нильс Фолькманн является соавтором статьи и руководил вычислительной частью исследования.

Кроме того, исследователи хотят расширить протокол для визуализации увеличенного числа структур, которые образуются в ответ на другие молекулярные сигналы, и для дальнейшей разработки технологии, чтобы сделать другие области клетки доступными.

« Это исследование – только начало. Теперь, когда мы разработали этот количественный рабочий процесс в наномасштабе, который коррелирует динамическое поведение сигналов с наноразмерным разрешением электронной криотомографии, мы и другие ученые можем реализовать этот мощный аналитический инструмент не только для расшифровки внутренней работы движения клеток, но и для выяснения динамика многих других макромолекулярных машин в невозмущенной клеточной среде », – говорит Ханейн.

Она добавляет: « Актин является строительным белком; он взаимодействует с более чем 150 актин-связывающими белками, создавая разнообразные структуры, каждая из которых выполняет уникальную функцию. У нас есть избыток различных сигналов, которые мы хотели бы отобразить, что может дать еще больше информации о том, как движутся клетки ».

Source link