Mens dit skelet hjælper din krop med at bevæge sig, hjælper fine skeletlignende filamenter i dine celler ligeledes cellulære strukturer med at bevæge sig. Nu har Salk-forskere udviklet en ny billeddannelsesmetode, der lader dem overvåge en lille delmængde af disse filamenter, kaldet actin.
"Actin er det mest udbredte protein i cellen, så når du afbilder det, er det over alt i cellen," siger Uri Manor, direktør for Salks Biophotonics Core-facilitet og tilsvarende forfatter til papiret."Indtil nu har det været virkelig svært at sige, hvor individuelle actinmolekyler af interesse er, fordi det er svært at adskille det relevante signal fra al baggrunden."
Med den nye billedbehandlingsteknik har Salk-teamet været i stand til at finde ud af, hvordan aktin medierer en vigtig funktion: at hjælpe de cellulære "kraftværker", kendt som mitokondrier, med at dele sig i to. Arbejdet, som udkom i tidsskriftet Nature Methods den 10. august 2020, kunne give en bedre forståelse af mitokondriel dysfunktion, som er blevet forbundet med kræft, aldring og neurodegenerative sygdomme.
Mitokondriel fission er den proces, hvorved disse energigenererende strukturer eller organeller deler sig og formerer sig som en del af normal cellulær vedligeholdelse; organellerne deler sig ikke kun, når en celle selv deler sig, men også når celler er under høje mængder stress eller mitokondrier er beskadiget. Imidlertid er den nøjagtige måde, hvorpå en mitokondrie kniber af i to mitokondrier, blevet dårligt forstået, især hvordan den indledende forsnævring sker. Undersøgelser har fundet ud af, at fjernelse af actin fra en celle, blandt mange andre effekter, fører til mindre mitokondriel fission, hvilket tyder på en rolle for actin i processen. Men ødelæggelse af alt aktin forårsager så mange cellulære defekter, at det er svært at studere proteinets nøjagtige rolle i en proces, siger forskerne.
Så, Manor og hans kolleger udviklede en ny måde at forestille sig aktin på. I stedet for at mærke alt actin i cellen med fluorescens, skabte de en actin-probe målrettet mod mitokondriers ydre membran. Kun når actin er inden for 10 nanometer fra mitokondrierne, binder det sig til sensoren, hvilket får fluorescenssignalet til at øges.
I stedet for at se aktin spredt tilfældigt rundt i alle mitokondrielle membraner, som de kunne, hvis der ikke var nogen adskilte interaktioner mellem aktin og organellerne, så Manors team lyse hotspots af aktin. Og når de så godt efter, var hotspotsene placeret på de samme steder, hvor en anden organel kaldet det endoplasmatiske retikulum krydser mitokondrierne, som tidligere viste sig at være fissionssteder. Faktisk, da holdet så actin-hotspots lyse op og forsvinde over tid, opdagede de, at 97 procent af mitokondrielle fissionssteder havde actin-fluorescerende omkring sig. (De spekulerer i, at der også var aktin på de andre 3 procent af fissionssteder, men at det ikke var synligt).
"Dette er det klareste bevis, jeg nogensinde har set, at aktin ophobes på fissionssteder," siger Cara Schiavon, medforfatter af papiret og en fælles postdoktor i laboratorierne hos Uri Manor og Salk Professor Gerald Shadel. "Det er meget nemmere at se, end når du bruger en hvilken som helst anden aktinmarkør."
Ved at ændre actin-proben, så den fæstnet til den endoplasmatiske retikulummembran i stedet for mitokondrierne, var forskerne i stand til at sammensætte den rækkefølge, hvori forskellige komponenter forbinder mitokondriel fissionsprocessen. Holdets resultater tyder på, at actinet binder sig til mitokondrierne, før det når det endoplasmatiske retikulum. Dette giver vigtig indsigt i, hvordan det endoplasmatiske retikulum og mitokondrier arbejder sammen for at koordinere mitokondriel fission.
I yderligere eksperimenter beskrevet i et pre-print manuskript tilgængeligt på bioRxiv, rapporterer Manors team også, at den samme ophobning af endoplasmatisk retikulum-associeret actin ses på de steder, hvor andre cellulære organeller - inklusive endosomer, lysosomer og peroxisomer - dele. Dette antyder en bred ny rolle for en undergruppe af actin i organeldynamik og homeostase (fysiologisk ligevægt).
I fremtiden håber holdet at se på, hvordan genetiske mutationer, der vides at ændre mitokondriel dynamik, også kan påvirke actins interaktioner med mitokondrierne. De planlægger også at tilpasse aktinproberne til at visualisere aktin, der er tæt på andre cellulære membraner.
"Dette er et universelt værktøj, der nu kan bruges til mange forskellige applikationer," siger Tong Zhang, en lysmikroskopispecialist hos Salk og medførsteforfatter af papiret."Ved at skifte målretningssekvensen eller nanopersonen ud, kan du løse andre grundlæggende spørgsmål inden for cellebiologi."
"Vi er i mikroskopiens guldalder, hvor nye instrumenter med stadig højere opløsning altid bliver opfundet; men på trods af det er der stadig store begrænsninger for, hvad du kan se," siger Manor. "Jeg tror, at det at kombinere disse kraftfulde mikroskoper med nye metoder, der udvælger præcis det, du vil se, er den næste generation af billedbehandling."
