Бактериальные патогены, такие как сальмонелла, шигелла, листерия и многие другие, используют белковый скелет клеток, которые они заражают, для распространения по всему организму хозяина. Однако как собирается и реконструируется этот так называемый цитоскелет клеток-хозяев? Ответы на этот вопрос могут обеспечить новые подходы к борьбе с возбудителями инфекционных заболеваний.

Международная команда исследователей, включающая членов HZI, в настоящее время разгадала точные молекулярные механизмы активации ключевого сигнального звена в ремоделировании цитоскелета. Эти недавние результаты только что появились в журнале Science Advances.

Клетки в нашем организме содержат сложную и часто запутанную сеть нитей, которая выполняет специфические функции по поддержанию или изменению формы клеток во время таких процессов, как эмбриональное развитие или миграция иммунных клеток к инфекционным агентам. Кроме того, цитоскелет играет центральную роль в транспортных процессах, как внутри клеток, так и при пересечении барьеров между соседними клетками.

Поэтому неудивительно, что инфекционные агенты разработали многочисленные средства для использования цитоскелета своих хозяев, что позволяет патогенам проникать в клетки хозяина или перемещаться по ним, чтобы заразить более глубокие слои тканей.

"Лучшее понимание цитоскелета и лежащих в основе его формирования молекулярных механизмов позволит более точно воздействовать на патогенные процессы", - говорит профессор Клеменс Роттнер, руководитель исследовательской группы молекулярной клеточной биологии в Центре инфекционных исследований им. Гельмгольца (HZI) в Брауншвейге.

Международный исследовательский проект, который только что появился в научном журнале Science Advances, был инициирован профессором Баоюем Ченом из Университета штата Айова, США, и существенно поддержан командой HZI во главе с Клеменсом Роттнером.

Исследователям удалось обнаружить новые, фундаментальные детали, касающиеся активации так называемого ВОЛНОВОГО регуляторного комплекса (WRC). Этот белковый комплекс собирается на внутренней поверхности плазматической мембраны и действует как центральный сигнальный узел. При активации WRC запускает формирование заметных выступов цитоскелета, известных как ламеллиподии, которые являются ключевыми структурами, позволяющими клетке мигрировать и поглощать внеклеточные частицы.

В отличие от статического скелета, часть цитоскелета, содержащая актиновые нити, является очень динамичной: она постоянно перестраивается и, таким образом, позволяет клеткам развивать двигательные силы, чтобы стимулировать клеточную миграцию и изменять форму клеток.

Ранее было показано, что WRC отвечает за сборку актиновых филаментов в ламеллиподиях ниже по течению от сигнального переключателя Rac1 — небольшой GTPase. "Также было известно, что активация WRC каким-то образом связана с еще одной GTPase, называемой Arf1", - говорит Роттнер. "В текущем исследовании мы хотели понять, как именно Arf1 присоединяется к WRC и что происходит в контексте активации WRC при связывании Arf1".

Используя подходы биохимической и структурной биологии в Университете штата Айова и клеточно-биологические исследования с использованием технологии CRISPR / Cas9 в HZI, а также разнообразный опыт исследователей из Университета Стоуни Брук, Клиники Майо и Университета Питтсбурга, команда определила и охарактеризовала сайт связывания Arf1 на WRC и охарактеризовала его функцию активации WRC.

"В частности, WRC содержит три сайта связывания для сигнальных переключателей: два специфичных для Rac1, которые уже были установлены, и новый для Arf1. Последний расположен между двумя участками связывания Rac", - говорит Роттнер. Исследователи также смогли показать, что Arf1 может связывать WRC только после связывания Rac1 с его так называемым D-сайтом в комплексе.

"Rac1-связывание с D-сайтом обеспечивает конформационное изменение WRC, позволяя взаимодействовать с Arf1. Такие аллостерические изменения являются известными явлениями в биохимии белков и, в частности, в контексте регуляции ВКР", - объясняет Роттнер.

Исследователи также установили, что оптимальная активация WRC происходит при заполнении всех трех сайтов связывания GTPase. Вместе команда смогла установить, что помимо связывания Rac1, Arf1 представляет собой важнейший сигнальный переключатель на WRC, необходимый для его оптимального функционирования.

Такие фундаментальные молекулярные идеи, как в данном случае о регуляции WRC Arf1, могут представлять потенциальный интерес для прикладных исследований инфекции. "В нескольких предыдущих исследованиях сообщалось о функциях активации Arf1 при инвазии клеток—хозяев патогенными бактериями - например, сальмонеллой. Это сопровождалось усилением ремоделирования актина, усиливающегося за счет поглощения бактериями", - говорит Роттнер.

"Таким образом, Arf1 или его сайт связывания на WRC могут представлять собой потенциальные центры для вмешательства в стратегии инвазии патогенов". Специфическое вмешательство в этот конкретный способ действия Arf1 может замедлить локальное ремоделирование актина и, таким образом, ингибировать поглощение бактериями. Роттнер заявляет: "Мы надеемся, что наши выводы вдохновят на разработку новых идей и стратегий для вмешательства с учетом специфических взаимодействий хозяина и патогена".