«Актин – самый распространенный белок в клетке, поэтому, когда вы представляете его, он распространяется по всей клетке», – говорит Ури Мэнор, директор центра биофотоники Солка и автор статьи. «До сих пор было действительно трудно сказать, где находятся отдельные молекулы актина, представляющие интерес, потому что трудно отделить соответствующий сигнал от всего фона."
С помощью новой техники визуализации команда Солка смогла выяснить, как актин опосредует важную функцию: помогает клеточным «электростанциям», известным как митохондрии, делиться на две части.
Работа, опубликованная в журнале Nature Methods 10 августа 2020 года, может дать лучшее понимание митохондриальной дисфункции, которая связана с раком, старением и нейродегенеративными заболеваниями.
Деление митохондрий – это процесс, посредством которого эти генерирующие энергию структуры или органеллы делятся и размножаются как часть нормального поддержания клеток; органеллы делятся не только при делении самой клетки, но и при сильном стрессе или повреждении митохондрий. Однако точный способ, которым одна митохондрия отщепляется на две митохондрии, был плохо изучен, особенно то, как происходит первоначальное сжатие. Исследования показали, что полное удаление актина из клетки, среди многих других эффектов, приводит к меньшему делению митохондрий, что предполагает роль актина в этом процессе.
Но разрушение всего актина вызывает так много клеточных дефектов, что трудно изучить точную роль белка в каком-либо одном процессе, говорят исследователи.
Итак, Манор и его коллеги разработали новый способ изображения актина. Вместо того, чтобы пометить весь актин в клетке флуоресценцией, они создали зонд актина, нацеленный на внешнюю мембрану митохондрий.
Только когда актин находится в пределах 10 нанометров от митохондрий, он присоединяется к сенсору, вызывая усиление сигнала флуоресценции.
Вместо того, чтобы увидеть актин, беспорядочно разбросанный по всем митохондриальным мембранам, как это было бы, если бы не было дискретных взаимодействий между актином и органеллами, команда Манора увидела яркие горячие точки актина. И когда они присмотрелись, горячие точки были расположены в тех же местах, где другая органелла, называемая эндоплазматическим ретикулумом, пересекает митохондрии, ранее обнаруженные как места деления. Действительно, наблюдая, как горячие точки актина загораются и исчезают с течением времени, команда обнаружила, что в 97% участков деления митохондрий вокруг них флуоресцирует актин. (Они предполагают, что в остальных 3 процентах участков деления также был актин, но его не было видно).
«Это самое ясное свидетельство того, что актин накапливается в местах деления», – говорит Кара Скьявон, соавтор статьи и научный сотрудник лаборатории Ури Мэнора и профессора Солка Джеральда Шаделя. "Это намного легче увидеть, чем при использовании любого другого маркера актина."
Изменяя зонд актина так, чтобы он прикреплялся к мембране эндоплазматического ретикулума, а не к митохондриям, исследователи смогли собрать воедино порядок, в котором различные компоненты присоединяются к процессу деления митохондрий.
Результаты команды показывают, что актин прикрепляется к митохондриям до того, как достигнет эндоплазматического ретикулума. Это дает важное понимание того, как эндоплазматический ретикулум и митохондрии работают вместе, чтобы координировать деление митохондрий.
В дополнительных экспериментах, описанных в предпечатной рукописи, доступной на bioRxiv, команда Манора также сообщает, что такое же накопление актина, связанного с эндоплазматическим ретикулумом, наблюдается в тех местах, где другие клеточные органеллы, включая эндосомы, лизосомы и пероксисомы, делятся.
Это предполагает новую широкую роль подмножества актина в динамике органелл и гомеостазе (физиологическое равновесие).
В будущем команда надеется посмотреть, как генетические мутации, которые, как известно, изменяют митохондриальную динамику, могут также повлиять на взаимодействия актина с митохондриями.
Они также планируют адаптировать зонды актина для визуализации актина, близкого к другим клеточным мембранам.
«Это универсальный инструмент, который теперь можно использовать для множества различных приложений», – говорит Тонг Чжан, специалист по световой микроскопии в Salk и соавтор статьи. "Отключив целевую последовательность или нанотело, вы можете решить другие фундаментальные вопросы клеточной биологии."
«Мы живем в золотой век микроскопии, когда постоянно изобретаются новые инструменты со все более высоким разрешением; но, несмотря на это, все еще существуют серьезные ограничения на то, что вы можете увидеть», – говорит Манор. "Я думаю, что сочетание этих мощных микроскопов с новыми методами, которые выбирают именно то, что вы хотите видеть, – это следующее поколение изображений."