Cryo-EM ساختارهای اتمی کلیدی انتهای رشته اکتین را نشان می دهد

رشته های اکتین -; ساختارهای پروتئینی حیاتی برای حرکت زنده از تک سلولی به حیوانات -؛ مدت‌هاست که قطبیت مرتبط با ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها، همراه با رشد «خاردار» و کوچک شدن انتهای «نیز» شناخته شده‌اند. انتهای رشته از نظر نحوه تعامل با سایر پروتئین های سلولی نیز متفاوت است. با این حال، مکانیسمی که این تفاوت ها را تعیین می کند، هرگز برای دانشمندان کاملاً روشن نبوده است. اکنون، محققان دانشکده پزشکی پرلمن در دانشگاه پنسیلوانیا، ساختارهای اتمی کلیدی انتهای رشته اکتین را با استفاده از تکنیکی به نام میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM) نشان داده‌اند. این مطالعه، منتشر شده در علوم پایه، بینش های اساسی را ارائه می دهد که ممکن است به پر کردن جزئیات مربوط به اختلالات مؤثر بر برخی اختلالات عضلانی، استخوانی، قلبی، عصبی و ایمنی که در نتیجه نقص یا کمبود اکتین است کمک کند.

اکتین فراوان ترین پروتئین درون سلول های موجودات بالاتر مانند حیوانات است. این به عنوان بلوک ساختمانی برای ساختارهای بلند و نازک به نام رشته ها عمل می کند، که پشتیبانی ساختاری کلیدی را به عنوان بخشی از اسکلت سلولی، سیستمی که شکل و قطبیت سلول ها را می دهد، ارائه می کند. تغییرات سریع در رشته های اکتین زمینه ساز رویدادهای سلولی کلیدی مانند حرکت در امتداد سطوح، تماس سلول به سلول و تقسیم سلولی است. رشته های اکتین نیز عناصر اصلی در فیبرهای عضلانی هستند.

نتایج مطالعه ما درک مکانیکی از فرآیندی را که بیش از 40 سال است با آن آشنا بوده‌ایم ارائه می‌کند و بر نحوه مشاهده نقش سلولی اکتین در سلامت و بیماری تأثیر می‌گذارد.

روبرتو دومینگز، دکترا، نویسنده ارشد مطالعه، ویلیام ماول میسی، استاد فیزیولوژی ریاست جمهوری در پن

پویایی رشته‌های اکتین عمدتاً توسط فرآیند «تردمیل» کنترل می‌شود، که از طریق آن پروتئین‌های اکتین مجزا از یک انتهای رشته‌ای که انتهای آن نامیده می‌شود، ریخته می‌شوند و در انتهای دیگر، خاردار، اضافه می‌شوند. رشته‌های اکتین را می‌توان با پروتئین‌های متمایز به اصطلاح «پوشش‌دهنده» که به انتهای رشته‌ها متصل می‌شوند، تثبیت کرد تا از افزودن یا از دست دادن بیشتر پروتئین‌های اکتین جلوگیری کند. بسیاری از پروتئین های دیگر نیز به انتهای خاردار و نوک تیز رشته اکتین متصل می شوند. اما جزئیات ساختاری تعیین کننده ویژگی این تعاملات -؛ جزئیاتی که توضیح می دهد که چرا این دو انتهای متفاوت عمل می کنند -; تار بوده اند

در مطالعه خود، محققان، از جمله دو دانشجوی پن -; پیتر کارمن، دکترا، دانشجوی اخیر فارغ التحصیل در آزمایشگاه دومینگوئز، و کایل بری، دکترا، دانشجوی کارشناسی ارشد در حال حاضر در آزمایشگاه، که به عنوان اولین نویسندگان خدمت کرده است. رشته های اکتین را با استفاده از کرایو-EM تجزیه و تحلیل کردند. با استفاده از این تکنیک تصویربرداری با وضوح بالا، یک محقق هزاران عکس فوری از یک مولکول هدف را به دست می‌آورد، آنها را از نظر محاسباتی تراز می‌کند و سپس آنها را برای کاهش “نویز” تصادفی تصویر، میانگین می‌گیرد. ایجاد یک بازسازی سه بعدی از مولکول که ممکن است به اندازه کافی تیز باشد تا اتم های منفرد را تجسم کند.

با کمک هوش مصنوعی (AI)، محققان توانستند بر روی انتهای رشته ها به جای وسط آنها تمرکز کنند، همانطور که قبلا در تحقیقات مشابه معمول بود. با انجام این کار، آنها صدها هزار نمای انتهایی رشته را شناسایی کردند و به آنها امکان ساخت بازسازی هایی در مقیاس نزدیک به اتمی را داد. اینها یک شکل اکتین “مسطح” یا ترکیب را در انتهای خاردار بدون کلاهک در مقابل یک ترکیب “پیچ خورده” در انتهای نوک تیز بدون کلاه نشان دادند.

داده ها همچنین تغییرات ساختاری ناشی از دو پروتئین پوشاننده رشته اکتین، CapZ در انتهای خاردار و tropomodulin در انتهای نوک تیز را به تفصیل شرح دادند. اینها دو پروتئینی هستند که در انتهای رشته در ماهیچه های اسکلتی و قلبی یافت می شوند و نقش اساسی در تثبیت رشته های اکتین در فیبرهای عضلانی دارند و بدون این پروتئین ها، ماهیچه های ما از هم می پاشند.

نتایج این مطالعه جزئیات مکانیکی مهمی را برای درک عمیق‌تر زیست‌شناسی اکتین به‌عنوان یک کل ارائه می‌کند. محققان بر این باورند که این بینش های مطالعه باید در درک و در نهایت درمان اختلالات ناشی از اختلال عملکرد اکتین مفید باشد.

بودجه توسط مؤسسه ملی بهداشت (R01 GM073791, F31 HL156431) ارائه شده است.