È noto da tempo che i filamenti di actina – strutture proteiche fondamentali per il movimento vivente dalle singole cellule agli animali – hanno una polarità associata alle loro caratteristiche fisiche, con estremità “uncinate” in crescita e “appuntite” che si restringono. Le estremità del filamento sono diverse anche nel modo in cui interagiscono con altre proteine nelle cellule. Tuttavia, il meccanismo che determina queste differenze non è mai stato del tutto chiaro agli scienziati. Ora, i ricercatori della Perelman School of Medicine dell’Università della Pennsylvania hanno rivelato strutture atomiche chiave delle estremità del filamento di actina attraverso l’uso di una tecnica chiamata microscopia crioelettronica (cryo-EM). Lo studio, pubblicato in Scienzafornisce approfondimenti fondamentali che possono aiutare a riempire i dettagli dietro i disturbi che colpiscono alcuni disturbi muscolari, ossei, cardiaci, neurologici e immunitari che sono il risultato di difetti o carenze di actina.
L’actina è la proteina più abbondante all’interno delle cellule degli organismi superiori, come gli animali. Funge da elemento costitutivo di strutture lunghe e sottili chiamate filamenti, che forniscono un supporto strutturale chiave come parte del “citoscheletro” cellulare, il sistema che conferisce alle cellule la loro forma e polarità. I rapidi cambiamenti nei filamenti di actina sono alla base di eventi cellulari chiave come il movimento lungo le superfici, il contatto cellula-cellula e la divisione cellulare. I filamenti di actina sono anche elementi importanti nelle fibre muscolari.
“I risultati del nostro studio forniscono una comprensione meccanicistica di un processo che conosciamo da più di 40 anni, denominato tapis roulant dei filamenti, e influisce sul modo in cui vediamo i ruoli cellulari dell’actina nella salute e nella malattia”, ha affermato l’autore senior dello studio. Roberto Dominguez, PhD, professore presidenziale di fisiologia di William Maul Measey alla Penn.
La dinamica dei filamenti di actina è governata in gran parte dal processo di “treadmilling”, attraverso il quale le singole proteine di actina vengono eliminate da un’estremità del filamento, nota come estremità appuntita, e aggiunte all’altra estremità appuntita. I filamenti di actina possono essere stabilizzati da distinte cosiddette proteine ”capping” che si legano alle estremità del filamento per fermare l’ulteriore aggiunta o perdita di singole proteine di actina. Molte altre proteine si legano anche alle estremità pungenti e appuntite del filamento di actina. Ma i dettagli strutturali che determinano la specificità di queste interazioni – i dettagli che spiegano perché queste due estremità funzionano in modo così diverso – sono stati oscuri.
Nel loro studio, i ricercatori, tra cui due studenti Penn – Peter Carman, PhD, uno studente neolaureato nel laboratorio di Dominguez, e Kyle Barrie, PhD, uno studente laureato attualmente in laboratorio, che ha servito come co-primi autori – hanno analizzato filamenti di actina utilizzando cryo-EM. Con questa tecnica di imaging ad alta risoluzione, un ricercatore ottiene molte migliaia di istantanee di una molecola bersaglio, le allinea in modo computazionale e quindi ne calcola la media per ridurre il “rumore” dell’immagine casuale, producendo una ricostruzione 3D della molecola che potrebbe essere nitida sufficiente per visualizzare i singoli atomi.
Con l’assistenza dell’intelligenza artificiale (AI), i ricercatori sono stati in grado di concentrarsi sulle estremità dei filamenti anziché sulla loro parte centrale, come era stata la norma in precedenza in ricerche simili. In tal modo, hanno identificato centinaia di migliaia di viste delle estremità dei filamenti, consentendo loro di ottenere ricostruzioni su scala quasi atomica. Questi hanno rivelato una forma di actina “piatta”, o conformazione, all’estremità appuntita senza cappuccio, rispetto a una conformazione “contorta” all’estremità appuntita senza cappuccio.
I dati hanno anche dettagliato i cambiamenti strutturali indotti da due proteine di capping del filamento di actina, CapZ all’estremità appuntita e tropomodulina all’estremità appuntita. Queste sono le due proteine che si trovano alle estremità del filamento nei muscoli scheletrici e cardiaci, svolgono un ruolo essenziale nella stabilizzazione dei filamenti di actina nelle fibre muscolari e, senza queste proteine, i nostri muscoli si disgregherebbero.
I risultati di questo studio forniscono dettagli meccanicistici cruciali per una comprensione più profonda della biologia dell’actina nel suo complesso. I ricercatori ritengono che queste intuizioni dello studio dovrebbero anche essere utili per comprendere e, in ultima analisi, trattare i disturbi causati dalla disfunzione dell’actina.
Il finanziamento è stato fornito dal National Institutes of Health (R01 GM073791, F31 HL156431).
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