פורמינים עשויים משני חלקים זהים (אדום, כתום) המקיפים את חוט האקטין (אפור) במבנה דמוי טבעת. קרדיט: MPI של פיזיולוגיה מולקולרית
חוקרי מקס פלאנק מדורטמונד חשפו את המנגנונים המולקולריים שבאמצעותם חלבוני פורמין בצורת טבעת מקלים על הצמיחה של חוטי אקטין בתאים.
אקטין הוא חלבון בשפע השולט על הצורה והתנועה של כל התאים שלנו. אקטין משיג זאת על ידי הרכבה לחוטים, מולקולת אקטין אחת בכל פעם. החלבונים של משפחת הפורמין הם שותפים מרכזיים בתהליך זה: ממוקמים בקצה החוט, פורמינים מגייסים תת-יחידות אקטין חדשות ונשארים קשורים לקצה על ידי 'צעד' עם החוט הגדל.
ישנם לא פחות מ-15 פורמינים שונים בתאים שלנו המניעים את צמיחת חוטי האקטין במהירויות שונות ולמטרות שונות. עם זאת, מנגנון הפעולה המדויק של פורמינים והבסיס למהירויות המובנות השונות שלהם נותרו חמקמקים. כעת, לראשונה, חוקרים מהקבוצות של סטפן ראונסר ופיטר בילינג במכון מקס פלנק לפיזיולוגיה מולקולרית בדורטמונד דמיינו ברמה המולקולרית כיצד פורמינים נקשרים לקצוות חוטי האקטין.
זה איפשר להם לחשוף כיצד פורמינים מתווכים תוספת של מולקולות אקטין חדשות לחוט גדל. יתר על כן, הם הבהירו את הסיבות למהירויות השונות שבהן הפורמינים השונים מקדמים תהליך זה. חוקרי MPI השתמשו בשילוב של אסטרטגיות ביוכימיות וקריו-מיקרוסקופיה אלקטרונית (cryo-EM). פריצת הדרך, שפורסמה בכתב העת Science, יכולה לעזור לנו להסביר מדוע מוטציות מסוימות בפורמינים יכולות להוביל למחלות נוירולוגיות, חיסוניות וקרדיווסקולריות.
מאחדים כוחות
"התגלית שלנו מאפשרת לנו לפרש עשרות שנים של מחקרים ביוכימיים על פורמינים דרך עדשות חדשות, מה שעונה על שאלות רבות ארוכות ופתוחות בתחום הזה", אומר פיטר בילינג. מבנים קודמים מהתגבשות בקרני רנטגן חשפו שפורמינים עשויים משני חלקים זהים המקיפים את חוט האקטין במבנה דמוי טבעת וצועדים לאורכו תוך כדי גדילתו. במודלים הספקולטיביים שהוצעו עד כה, פורמינים מקיימים אינטראקציה דרך כל ארבעת תחומי הקישור שלהם עם אקטין, בעוד שפורמין איטי ומהיר יקבל צורות שונות בחוט.
Micaela Boiero Sanders ו-Wout Oosterheert בקריו-מיקרוסקופ אלקטרונים. קרדיט: MPI של פיזיולוגיה מולקולרית
"אבל למחקרים האלה חסרו מבנים ברזולוציה גבוהה של פורמינים הקשורים לאתרי הפעילות הרלוונטיים שלהם, הקצה הדוקרני של חוטי האקטין", אומר ווט אוסטרהירט, פוסט דוקטורט בקבוצתו של סטפן ראונסר ב-MPI דורטמונד ושותף-המחבר הראשון של הפרסום. .
פורמינים הם חלבונים דינמיים ביותר שמרכיבים חוטים במהירות, ומכאן שקשה להשיג מספיק קצוות חוטים לקביעת מבנה מפורטת. מדעני MPI ניתחו לא רק אחד, אלא שלושה פורמינים נפרדים שמקורם בפטריות, עכברים ובני אדם, שכולם מאריכים חוטי אקטין במהירויות שונות מאוד. "אחד הפורמינים שלמדנו הוא מהיר מאוד ויכול להיחשב לפרארי בין הפורמינים, בעוד שפורמין אחר מתנהג יותר כמו טרקטור", אומר סטפן ראונסר. המדענים בדקו וייצבו מגוון רחב של תנאים שבסופו של דבר העניקו להם מספר גבוה של חוטים הקשורים לפורמין. "בנינו על הניסיון שצברנו מהלימודים הקודמים שלנו. האופטימיזציה האיטרטיבית של הביוכימיה והכנת דגימת ה-cryo-EM הייתה המפתח להשגת מבנים אלה", אומרת Micaela Boiero Sanders, הכותבת השנייה הראשונה של המחקר.
פרדיגמה חדשה
המבנים החדשים, עם רזולוציות סביב 3.5 אנגסטרום, מראים שפורמינים מקיפים את האקטין כמו טבעת אסימטרית: חצי אחד של הטבעת קשור ביציבות, בעוד החצי השני קשור באופן רופף עם החוט והוא חופשי ללכוד תת-יחידה חדשה. "ניתוח המבנים נתן לנו רגע 'אאוריקה' אמיתי לגבי המנגנון", אומרים אוסטרהירט ובויירו סנדרס.
כאשר תת-יחידת האקטין החדשה מגיעה, השילוב שלה על החוט מערער את סידור הפורמין ומחייב את חצי הטבעת היציבה לעלות על תת-היחידה החדשה ולהשתחרר, בעוד שחצי הטבעת השנייה הופכת יציבה. הודות למנגנון מתואם זה, הפורמינים נשארים קשורים לקצה חוט האקטין הגדל למרחקים ארוכים. בניגוד להשערות קודמות, המבנים דומים עבור כל שלושת הפורמינים המנותחים, כאשר רק שלושה תחומים מחייבים מעורבים באקטין בו-זמנית.
על ידי החדרת מוטציות לפורמינים, מדעני ה-MPI גם הסבירו את הבדלי המהירות בין מתחמי אקטין-פורמין: אם טבעת הפורמין קשורה בצורה הדוקה יותר לקצה חוט האקטין, קשה יותר לטבעת להרפות ולעלות על טבעת חדשה, תת-יחידת אקטין נכנסת. כתוצאה מכך, צמיחת נימה איטית יותר. "עכשיו אנחנו מבינים איך פורמין שמתנהג כמו טרקטור יכול להיעשות מהר יותר על ידי מתן תכונות דמויות פרארי", אומר פיטר בילינג.
צוות ה-MPI מצפה שהתוצאות שלהם יהיו שימושיות עבור המדענים הרבים ברחבי העולם שחוקרים את שלד ציטו-האקטין. "התובנות החדשות שלנו פותחות מספר רב של אפשרויות להבהרת התפקידים הספציפיים של חמישה עשר הפורמינים האנושיים ברמה התאית, מה שיכול להגביר את ההבנה שלנו כיצד מוטציות בגנים של פורמין מובילות למחלות קשות", מסכם ראונסר.
