Развитие микроскопии сверхвысокого разрешения произвело революцию в том, как ученые рассматривают и понимают внутреннюю работу клетки. Точно так же, как достижения в технологии спутниковых камер привели к появлению очень подробных карт мира, микроскопия сверхвысокого разрешения позволила исследователям построить подробные карты отдельных клеток. Детали таковы, что не только достижимо расположение отдельных белковых машин, но и эти машины можно разбить на части, а также нанести на карту положение и ориентацию этих частей.
В организме человека клетки редко функционируют изолированно. Вместо этого они существуют как часть многоклеточных сообществ, составляющих ткани и органы. Чтобы обеспечить правильное функционирование ткани, отдельные клетки должны оставаться в физическом контакте с окружающими их клетками. Когда клетки не в состоянии поддерживать этот контакт, могут возникнуть разрушительные заболевания, одним из самых страшных примеров которых является рак.
Места межклеточной адгезии обнаруживаются в определенных областях периферической клетки. Хотя многие белковые части, из которых состоят эти места слипания, были известны, ученым еще предстояло определить, как каждая часть соединяется друг с другом, чтобы создать общую машину. Это произошло потому, что строительные блоки этих машин были слишком малы для традиционных световых микроскопов и слишком разнообразны для электронных микроскопов.
Одной из основных белковых частей этих машин являются белки «кадгерины». Кадгерин одной клетки выходит за пределы клетки и взаимодействует с кадгерином другой клетки. Внутри клетки кадгерин связывается с «адапторными» белками, которые по существу соединяют кадгерин с сетью белковых филаментов, известной как цитоскелет. Создавая эти прочные связи, кадгериновые адгезии не только соединяют соседние клетки, но и позволяют клеткам координировать свои движения, поддерживать целостность тканей и передавать множество сигналов, важных для правильного функционирования тканей.
Изображение сверхвысокого разрешения показывает многослойную организацию спаек на основе кадгерина
Имея в своем распоряжении микроскопию сверхвысокого разрешения, международная исследовательская группа под руководством доцента Пакорна (Тони) Канчанавонга из Института механобиологии Сингапура (MBI) Национального университета Сингапура (NUS) и Департамента биомедицинских Инженеры NUS, а также доктор Кристина Бертокки, научный сотрудник MBI, впервые раскрыли, как организованы межклеточные контакты на основе кадгерина. В основе исследования лежит «карта» того, как части собираются вместе в сложную наноразмерную машину межклеточной адгезии. Исследование было опубликовано в Интернете в журнале Nature Cell Biology в декабре 2016 года.
Здесь исследователи «нанесли на карту» положение и ориентацию белковых строительных блоков кадгериновых спаек. Они отметили поразительную степень разделения в организации белкового аппарата, где компоненты располагались в несколько слоев. Компартменты кадгерина и цитоскелета, по-видимому, разделены «интерфейсным слоем», который содержит винкулин, растяжимый белок, который уже давно участвует в способности клетки ощущать механическую силу. В этом случае д-р Бертокки заметил, что винкулин может претерпевать резкое изменение формы, в результате чего он может переключаться из компактной формы в сильно вытянутую форму. Этой вытянутой формы было достаточно, чтобы растянуться на расстояние 30 нанометров и более, что было таким же расстоянием, на которое кадгерин отделялся от цитоскелета. Короче говоря, винкулин может служить мостиком между слоями кадгерина и актина.
Дальнейшее исследование этой структуры показало, что форма винкулина (растянутая или компактная) определяется как механическим напряжением, так и входными биохимическими сигналами. Таким образом, способность винкулина избирательно взаимодействовать с высокодинамичным актиновым цитоскелетом подчеркивает роль винкулина в точной настройке механических свойств межклеточных контактов в ответ на различные воздействия внеклеточной среды.
Возможность наблюдать под микроскопом молекулярные механизмы, такие как межклеточная адгезия на основе кадгерина, подчеркивает возможности микроскопии сверхвысокого разрешения. В этом случае белковые части, составляющие межклеточную адгезию, были нанесены на карту, что позволило исследователям лучше понять, как формируются, поддерживаются и регулируются межклеточные контакты.