Cercetătorii descoperă modul în care filamentele de actină musculară cresc și se reînnoiesc
Cercetătorii din domeniul biofizicii au dezvăluit un mister legat de formarea mușchilor la nivel molecular și de modul în care aceștia își mențin funcția.
Descoperirea, publicată în Nature Communications, ar putea ajuta la dezvoltarea unor tratamente pentru bolile musculare, cum ar fi cardiomiopatia dilatativă, una dintre principalele cauze ale insuficienței cardiace.
„Am realizat un progres fundamental în înțelegerea modului în care este asamblat citoscheletul celular, în special în celulele musculare”, afirmă Shashank Shekhar, profesor asistent de fizică la Universitatea Emory și autor principal al studiului.
În cadrul cercetării, cercetătorii au contestat un model pe care s-a bazat comunitatea științifică timp de peste patru decenii, model care explica modul în care se formează și se menține lungimea filamentelor de actină, o proteină esențială pentru mișcarea celulară și alte funcții.
„Lucrarea noastră provoacă o paradigmă de lungă durată, descoperind un nou mecanism, considerat anterior imposibil, prin care proteina leimodină construiește filamente de actină în mușchi”, spune Shekhar.
„De asemenea, oferim o explicație moleculară pentru modul în care defectele în leimodină pot perturba asamblarea mecanismului contractil al inimii”, adaugă Sudipta Biswas, candidatul la doctorat la Emory și autorul principal al lucrării.
O mutație genetică în leimodină, de exemplu, este asociată cu cardiomiopatia dilatativă, o afecțiune care slăbește progresiv mușchii inimii și afectează capacitatea acestora de a pompa sângele eficient.
Leimodina este o proteină abundentă și versatilă, iar laboratorul Shekhar studiază reglementarea mecanică și chimică a actinei, una dintre cele mai abundente și versatile proteine din organism.
Actina se asamblează în filamente care fac parte din scheletul celulelor vii, conferindu-le formă. De asemenea, este esențială pentru mobilitatea celulară. Pe măsură ce filamentul de actină se elonghează în interiorul unei celule, acesta împinge membrana, determinând celula să se deplaseze înainte.
În multe celule din organism, filamentul de actină formează mănunchiuri libere, asemănătoare unei plase. În celulele musculare, actina și proteina miozină formează aranjamente drepte, extrem de stabile, cunoscute sub numele de sarcomere – cele mai mici unități organizate ale celulelor musculare.
Actina din celulele musculare este specializată pentru a facilita contracția. Filamentele de actină alunecă pe lângă filamentul de miozină spre mijlocul sarcomerului, strângându-se fără a se schimba lungimea filamentelor.
„Modul în care mușchii tăi se contractă este controlat de lungimea acestor filamente de actină”, explică Shekhar. „De la naștere până la moarte, lungimea filamentelor de actină din celulele musculare rămâne constantă. Este foarte bine controlată.”
Deși lungimea filamentelor de actină rămâne aceeași, acestea trebuie în continuare să crească și să se reînnoiască pentru a putea continua să se formeze pe măsură ce se îmbătrânesc, se înlocuiesc și se degradează.
Modul în care filamentul realizează acest proces în mușchi a fost un mister.
Filamentele de actină au două capete: unul este numit capătul ascuțit sau minus, iar celălalt capătul cu barbă sau plus. De câteva decenii, cercetătorii știu că capătul minus al unui filament de actină este locul unde filamentul se depolimerizează, adică se degradează și se desprinde. Capătul plus este locul unde se adaugă unități de actină proaspăt energizate, asemenea formării unei noi trepte într-o scară.
Acest proces – pierderea unei unități de actină de la capătul minus în timp ce se câștigă una la capătul plus – este denumit „treadmilling”, deoarece filamentul pare că se mișcă înainte pe măsură ce se adaugă noi blocuri de construcție.
Cu toate acestea, acest proces fundamental pentru filamentul de actină nu funcționează la fel în celulele musculare. Filamentele de actină din sarcomere își controlează strict lungimea. Capătul cu barbă, plus, este acoperit cu o proteină care împiedică adăugarea de noi molecule.
„Și totuși, filamentul de actină din sarcomerele cu care te naști nu este același cu cel din sarcomerele tale de astăzi”, afirmă Shekhar. „Nimeni nu știa cum continuă să se asambleze și să se remodeleze.”
O indicație a misterului
În cercetări anterioare, Shekhar și colegii săi de la Universitatea de Stat din Ohio au descoperit un efect interesant al unei toxine din bacteriile Vibrio cholerae asupra filamentelor de actină din celulele non-musculare. Vibrio, patogenul care provoacă holera, poate prelua mecanismele filamentelor de actină, inversând procesul de treadmilling, astfel încât creșterea să se producă la capătul minus.
Shekhar și Biswas s-au întrebat dacă un fenomen similar ar putea avea loc în filamentul de actină sănătos din celulele musculare. Ar putea un catalizator să stimuleze creșterea la capătul minus?
„Sudipta a realizat unele experimente foarte ingenioase pentru a testa această idee”, spune Shekhar.
Biswas și-a centrat investigația pe leimodină 2 – un tip particular de leimodină găsită aproape de capetele ascuțite ale filamentelor de actină în celulele musculare cardiace. „Are domenii similare cu toxina Vibrio”, adaugă ea.
„Experimentele anterioare efectuate în laborator”, continuă ea, „au arătat că, dacă ștergi leimodina 2 din celulele musculare cardiace, filamentul de actină devine mai scurt. Iar dacă ai prea mult leimodină 2, filamentul crește mai lung decât normal.”
Biswas a proiectat experimente utilizând tehnica specializată de microscopie de fluorescență cu reflexie totală internă asistată de microfluidică (mf-TIRF) pentru a studia dinamica modului în care filamentul de actină se remodelează.
Laboratorul Shekhar este unul dintre puținele din lume care utilizează mf-TIRF pentru a studia modul în care filamentul de actină crește și se dezintegrează. Tehnica permite cercetătorilor să atașeze diferite culori de fluorescență la moleculele de proteine și apoi să le introducă într-un sistem microfluidic. Lumina acestor coloranți dezvăluie mișcările moleculelor individuale.
Biswas a ancorat molecule de leimodină 2 la baza unei camere microfluidice. Apoi, a etichetat moleculele de actină cu fluorescență roșie și le-a introdus în cameră. Filamentele de actină au început să se asambleze, rămânând ancorate la bază de leimodină, care se atașează la capătul ascuțit al filamentelor.
Dar cresc filamentul de actină de la capetele ascuțite, capetele minus?
Pentru a verifica, Biswas a introd
