Aktin Filament Polaritesinin Gizemlerini Çözen Çalışma

Aktin filamanlarının - tek hücrelerden hayvanlara canlı hareket için kritik protein yapıları - büyüyen "dikenli" ve daralan "sivri uçlu" uçlarla fiziksel özellikleriyle ilişkili polariteye sahip oldukları uzun zamandır bilinmektedir. Filamanın uçları, hücrelerdeki diğer proteinlerle etkileşime girme biçimleri bakımından da farklıdır. Ancak, bu farklılıkları belirleyen mekanizma bilim insanları için hiçbir zaman tam olarak anlaşılamamıştı. Şimdi, Pennsylvania Üniversitesi'ndeki Perelman Tıp Okulu'ndan araştırmacılar, kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) adı verilen bir teknik kullanarak aktin filamentinin uçlarının temel atomik yapılarını ortaya çıkardılar. Science dergisinde yayınlanan çalışma, aktin kusurları veya eksikliklerinin sonucu olan bazı kas, kemik, kalp, nörolojik ve bağışıklık bozukluklarını etkileyen durumların ardındaki ayrıntıların doldurulmasına yardımcı olabilecek temel içgörüler sağlıyor.

Aktin, hayvanlar gibi yüksek organizmaların hücrelerinde en bol bulunan proteindir. Hücrelere şeklini ve polaritesini veren sistem olan hücre "hücre iskeleti"nin bir parçası olarak temel yapısal desteği sağlayan, lif adı verilen uzun, ince yapılar için yapı taşı görevi görür. Aktin filamentlerindeki hızlı değişiklikler, yüzeyler boyunca hareket, hücreden hücreye temas ve hücre bölünmesi gibi önemli hücresel olayların temelini oluşturur. Aktin filamentleri ayrıca kas liflerindeki ana elementlerdir.

Çalışmanın kıdemli yazarı Roberto Dominguez, “Çalışmamızın sonuçları, 40 yılı aşkın süredir bildiğimiz, filament koşu bandı olarak adlandırılan ve aktinin sağlık ve hastalıktaki hücresel rollerini nasıl gördüğümüzü etkileyen bir sürecin mekanik bir şekilde anlaşılmasını sağlıyor.” dedi.

Aktin filamentlerinin dinamikleri, büyük ölçüde, tek tek aktin proteinlerinin sivri uç olarak bilinen bir filament ucundan döküldüğü ve diğer dikenli uca eklendiği "koşu bandı" işlemi tarafından yönetilir. Aktin filamentleri, bireysel aktin proteinlerinin daha fazla eklenmesini veya kaybını durdurmak için filament uçlarına bağlanan farklı sözde "başlık" proteinleri tarafından stabilize edilebilir. Diğer birçok protein de aktin filamentinin dikenli ve sivri uçlarına bağlanır. Ancak bu etkileşimlerin özgüllüğünü belirleyen yapısal ayrıntılar - bu iki ucun neden bu kadar farklı çalıştığını açıklayan ayrıntılar - belirsizdi.

Çalışamalarında, iki Penn öğrencisi de dahil olmak üzere araştırmacılar - Dominguez'in laboratuvarında yeni bir yüksek lisans öğrencisi olan PhD Peter Carman ve şu anda laboratuvarda bulunan ve ortak yazar olarak hizmet veren bir yüksek lisans öğrencisi olan PhD Kyle Barrie - kriyo-EM kullanarak aktin filamentleri analiz ettiler. Bu yüksek çözünürlüklü görüntüleme tekniği ile bir araştırmacı, bir hedef molekülün binlerce anlık görüntüsünü elde ediyor, bunları hesaplamalı olarak hizalayıp, ardından rastgele görüntü "gürültüsünü" azaltmak için bunların ortalamasını alıyor.

Yapay zeka (AI) yardımı ile araştırmacılar, daha önce benzer araştırmalarda norm olduğu gibi, iplikçiklerin ortası yerine uçlarına odaklanabildiler. Bunu yaparak, atom ölçeğine yakın rekonstrüksiyonlar elde etmelerini sağlayan yüzbinlerce filaman ucu görünümü belirlediler. Bunlar, kapaksız sivri uçta "bükülmüş" bir yapıya karşı kapaksız dikenli uçta "düz" bir aktin şekli veya konformasyonu ortaya çıkardı.

Veriler ayrıca iki aktin filaman kaplama proteini, dikenli uçta CapZ ve sivri uçta tropomodulin tarafından indüklenen yapısal değişiklikleri de detaylandırdı. Bunlar, iskelet ve kalp kaslarındaki liflerin uçlarında bulunan ve kas liflerindeki aktin liflerinin stabilizasyonunda önemli bir rol oynayan iki proteindir ve bu proteinler olmasaydı kaslarımız parçalanırdı.