Eine elektronenmikroskopische Studie enthüllt die Geheimnisse der Polarität von Aktinfilamenten

Es ist seit langem bekannt, dass Aktinfilamente – Proteinstrukturen, die für die lebende Bewegung von einzelnen Zellen zu Tieren entscheidend sind – eine mit ihren physikalischen Eigenschaften verbundene Polarität aufweisen, mit wachsenden „Stachel“- und schrumpfenden „spitzen“ Enden. Die Enden des Filaments unterscheiden sich auch in der Art und Weise, wie sie mit anderen Proteinen in Zellen interagieren. Der Mechanismus, der diese Unterschiede bestimmt, war den Wissenschaftlern jedoch nie ganz klar. Jetzt haben Forscher der Perelman School of Medicine der University of Pennsylvania mithilfe einer Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) wichtige atomare Strukturen der Enden des Aktinfilaments aufgedeckt.

Die Studie, veröffentlicht in Wissenschaftliefert grundlegende Erkenntnisse, die dabei helfen können, Einzelheiten zu Erkrankungen zu klären, die einige Muskel-, Knochen-, Herz-, neurologische und Immunerkrankungen betreffen, die auf Aktindefekte oder -mängel zurückzuführen sind.

Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein in den Zellen höherer Organismen, beispielsweise von Tieren. Es dient als Baustein für lange, dünne Strukturen, sogenannte Filamente, die als Teil des „Zytoskeletts“ der Zelle, dem System, das den Zellen ihre Form und Polarität verleiht, eine wichtige strukturelle Unterstützung bieten. Schnelle Veränderungen in Aktinfilamenten liegen wichtigen zellulären Ereignissen wie der Bewegung entlang von Oberflächen, dem Kontakt von Zelle zu Zelle und der Zellteilung zugrunde. Aktinfilamente sind auch wichtige Elemente in Muskelfasern.

„Die Ergebnisse unserer Studie liefern ein mechanistisches Verständnis eines Prozesses, den wir seit mehr als 40 Jahren kennen und der als Filament-Tretmilling bezeichnet wird, und beeinflussen, wie wir die zelluläre Rolle von Aktin bei Gesundheit und Krankheit betrachten“, sagte der leitende Autor der Studie Roberto Dominguez, Ph.D., William Maul Measey-Präsidentschaftsprofessor für Physiologie an der Penn.

Die Dynamik von Aktinfilamenten wird größtenteils durch den „Tretmilling“-Prozess bestimmt, bei dem einzelne Aktinproteine ​​von einem Filamentende, dem so genannten spitzen Ende, abgestoßen und am anderen, dem stacheligen Ende hinzugefügt werden. Aktinfilamente können durch bestimmte sogenannte „Capping“-Proteine ​​stabilisiert werden, die sich an die Filamentenden binden, um die weitere Hinzufügung oder den Verlust einzelner Aktinproteine ​​zu verhindern. Auch viele andere Proteine ​​binden an die stacheligen und spitzen Enden des Aktinfilaments. Aber die strukturellen Details, die die Spezifität dieser Wechselwirkungen bestimmen – die Details, die erklären, warum diese beiden Enden so unterschiedlich funktionieren – waren unklar.

In ihrer Studie haben die Forscher, darunter zwei Penn-Studenten – Peter Carman, Ph.D., ein frischgebackener Doktorand in Dominguez‘ Labor, und Kyle Barrie, Ph.D., ein Doktorand, der derzeit im Labor arbeitet und als Co-Mitarbeiter fungierte. Erstautoren – analysierten Aktinfilamente mittels Kryo-EM. Mit dieser hochauflösenden Bildgebungstechnik erhält ein Forscher viele tausend Schnappschüsse eines Zielmoleküls, richtet sie rechnerisch aus und mittelt sie dann, um zufälliges Bildrauschen zu reduzieren – was zu einer 3D-Rekonstruktion des Moleküls führt, die möglicherweise scharf genug ist, um sie sichtbar zu machen einzelne Atome.

Mithilfe künstlicher Intelligenz (KI) konnten sich die Forscher auf die Enden der Filamente konzentrieren und nicht auf deren Mitte, wie es zuvor bei ähnlichen Forschungen üblich war. Auf diese Weise identifizierten sie Hunderttausende Filamentendansichten und konnten so Rekonstruktionen im nahezu atomaren Maßstab erstellen. Diese zeigten eine „flache“ Aktinform oder Konformation am nicht abgedeckten, mit Widerhaken versehenen Ende, im Vergleich zu einer „verdrehten“ Konformation am nicht abgedeckten, spitzen Ende.

Die Daten detailliert auch die strukturellen Veränderungen, die durch zwei Aktinfilament-verschließende Proteine, CapZ am stacheligen Ende und Tropomodulin am spitzen Ende, hervorgerufen werden. Dies sind die beiden Proteine, die sich an den Enden des Filaments in der Skelett- und Herzmuskulatur befinden und eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung der Aktinfilamente in Muskelfasern spielen. Ohne diese Proteine ​​würden unsere Muskeln auseinanderfallen.

Die Ergebnisse dieser Studie liefern entscheidende mechanistische Details für ein tieferes Verständnis der Aktinbiologie als Ganzes. Die Forscher glauben, dass diese Studienerkenntnisse auch hilfreich sein sollten, um durch Aktin-Dysfunktion verursachte Störungen zu verstehen und letztendlich zu behandeln.