Цитоскелет - это постоянная строительная площадка: он состоит из белковых филаментов, которые постоянно удлиняются и укорачиваются в динамическом процессе. Благодаря этим процессам ремоделирования клетка может изменить свою форму и даже переместиться в новое место. Таким образом, он управляет фундаментальными процессами, такими как деление и дифференцировка клеток, а также процессами более высокого уровня в организме, такими как эмбриональное развитие и заживление ран. Если что-то пойдет не так на участке строительства цитоскелета - например, если белковые филаменты ремоделируются не в том месте или не в то время - это может привести к заболеваниям. Такая ошибка в пространственно-временном контроле также является причиной того, что метастатические раковые клетки начинают мигрировать в организме.
Исследователи из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка Ассоциации Гельмгольца (MDC) и других институтов, таких как Европейский институт биоинформатики (EMBL-EBI) в Хинкстоне, Великобритания, исследовали, как семейство из 145 белков вызывает эти события реконструкции происходят в нужном месте и в нужное время. До этого момента ученые изучали эти регуляторные белки только в отдельных исследованиях, и было охарактеризовано лишь несколько белков. «Чтобы понять сложные процессы, в том числе изменения формы клеток, нам нужно знать, как регуляторные белки работают вместе вместе. До сих пор нам, так сказать, не хватало перспективы с высоты птичьего полета», - говорит доктор Оливер Рокс, глава MDC. исследовательская группа «Пространственно-временной контроль передачи сигналов Rho GTPase» и старший ответственный автор нового исследования в журнале Nature Cell Biology. Его исследовательская группа с ведущими авторами доктором Паулем Мюллером и доктором Джулианой Радемахер вместе с группой под руководством доктора Евангелии Петсалаки из EMBL-EBI и международной исследовательской группой в настоящее время систематически охарактеризовали все эти регуляторные белки. Команда смогла показать, что внутри клетки существуют различные сигнальные зоны, которые координируют цитоскелет в пространстве и времени, а также то, как эти зоны создаются и поддерживаются..
Новый взгляд благодаря обширной базе данных
На строительной площадке цитоскелета тон задают белки Rho GTPase. Когда эти молекулярные переключатели активируются, они посылают команды оборудованию на месте. Эти молекулярные переключатели контролируются 145 регуляторными белками: белки RhoGEF включают их, белки RhoGAP выключают. Сейчас Рокс и его команда впервые систематически исследовали все эти регуляторы и создали своеобразную библиотеку. Исследователи со всего мира могут получить доступ к этой библиотеке, чтобы увидеть, какие молекулярные переключатели контролируют отдельные белки, где в клетке это происходит и какие партнеры по связыванию у них есть.
Исчерпывающая информация, содержащаяся в библиотеке белков, впервые позволяет анализировать белки на системном уровне, то есть с высоты птичьего полета. Это выявило новые коллективные свойства регуляторов, которые ранее были незаметны. Таким образом, исследователи открыли новый механизм, объясняющий, как контролируется миграция клеток.
Очаговые спайки контролируют баланс двух противоположных процессов
Ученым было известно, что два противоположных процесса, контролируемых цитоскелетом - выпячивание и сокращение клеток - должны происходить в разных местах клетки, чтобы она могла двигаться. На одной строительной площадке перед клеткой молекулярные переключатели дают команду на выдвижение клетки в направлении миграции. Сзади, ближе к внутренней части клетки, они вызывают сокращение цитоскелета. Центральный вопрос, исследованный командой MDC, заключался в том, как Rho GTPases координирует эти два пространственно разделенных процесса.
Пространственная организация двух противоположных процессов стала возможной благодаря фокальным спайкам, объясняет Рокс. Это белковые скопления, расположенные непосредственно под клеточной мембраной, которые прикрепляют клетку к окружающей среде. Очаговые спайки возникают близко к передней части клетки, созревают в более стабильные структуры и в конечном итоге снова растворяются. Когда клетка проходит через фокальные спайки во время миграции, они перемещаются от передней части к середине клетки. «Клетка использует тот факт, что фокальные спайки меняют свое местоположение», - говорит Рокс. Сначала его команда обнаружила в этих структурах удивительное количество регуляторных белков. Но настоящим сюрпризом, по его словам, «было то, что мы обнаружили специфическую подгруппу регуляторов, расположенных почти исключительно на вновь образованных фокальных спайках на краю клетки, и еще одну отдельную подгруппу на зрелых структурах ближе к середине клетки». Эти подгруппы контролируют упомянутые выше противоположные цитоскелетные процессы, создавая пространственно разделенные сигнальные зоны. Исследователям также удалось показать, что оба процесса связаны механическими силами в клетке, что может способствовать поддержанию баланса между количеством вновь образованных фокальных спаек и количеством зрелых.
Rocks планирует исследовать, как именно коллективные регуляторы Rho GTPase на фокальных спайках взаимодействуют с механизмом цитоскелета, играет ли принцип пространственного разделения этих белков также роль в других клеточных структурах и как дефектная регуляторная функция в конечном итоге может привести к заболеваниям.
Rocks подтверждает, что получение такого системного взгляда на регуляцию формы клеток потребовало больших усилий. «Однако было совершенно необходимо оживить это исследовательское поле и открыть новые концептуальные подходы для дальнейшего изучения», - говорит исследователь. База данных и библиотека белков теперь доступны всем ученым во всем мире.