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Dentro da borda principal de uma célula rastejante, redes intrincadas de filamentos de actina semelhantes a bastonetes se estendem em direção à membrana celular em vários ângulos, alongando proteína por proteína. Após o impacto, as hastes cruzadas resvalam para fora da membrana e se dobram à medida que a força coletiva de uma miríade de filamentos empurra a célula para frente.
A flexibilidade desses filamentos e a eficácia com que recrutam proteínas reguladoras essenciais para sua causa depende das propriedades das proteínas individuais de actina que os compõem. Agora, um novo estudo em Natureza fornece estruturas de alta resolução mostrando como dois estados bioquímicos chave de actina trabalham em conjunto com forças de flexão para determinar como a actina pode interagir com outras proteínas.
“Quando você adiciona força à mistura, você vê mudanças substanciais”, diz Gregory Alushin, da Rockefeller. “Nós fornecemos evidências claras de que essas mudanças bioquímicas na actina só são legíveis através das propriedades mecânicas dos filamentos”.
Revisitando o controle de proteínas
Os filamentos de actina são polímeros longos de proteínas de actina, ligados de ponta a ponta. As proteínas de actina dentro de um filamento podem existir em um dos dois estados bioquímicos importantes. A actina recém-adicionada ao polímero contém uma molécula de fosfato e a actina envelhecida não; caso contrário, os dois estados são mais ou menos idênticos. Mas as proteínas de ligação à actina podem diferenciá-las e elas se ligam ou ignoram um filamento com base no estado de sua actina.
Como as proteínas de ligação à actina distinguem entre esses estados é um mistério de longa data. Alguns propuseram que o fosfato de alguma forma altera a forma da actina, permitindo que as proteínas de ligação à actina a escolham da multidão in vivo. De fato, muitas enzimas podem alternar entre formas quando outras moléculas se prendem a elas, em um processo conhecido como regulação alostérica. Fazia algum sentido supor que a actina não seria diferente.
Mas sem saber exatamente como eram os dois estados bioquímicos da actina, isso era apenas um palpite. Alushin se perguntou se poderia haver mais na história. “Como as proteínas são controladas é uma questão antiga”, diz ele. “Faz um tempo desde que novas ideias foram exploradas.”
Avanços metodológicos
Matthew Reynolds, estudante de pós-graduação no laboratório de Alushin, começou a trabalhar em estruturas de alta resolução de cada estado. Ao examinar essas estruturas, onde as moléculas de fosfato e água foram claramente resolvidas, a equipe descobriu que os dois estados de actina ainda eram efetivamente indistinguíveis. Quer a actina estivesse ou não ligada ao fosfato, as estruturas apresentavam redes de filamentos e estruturas proteicas quase idênticas. Se a regulação alostérica padrão estivesse envolvida, haveria mudanças marcantes na actina quando ela estava ligada ao fosfato – o tipo de diferenças principais que as proteínas reguladoras poderiam ter usado para distinguir um tipo de actina de outro. Mas as diferenças observadas pareciam muito pequenas para as proteínas de ligação à actina serem capazes de diferenciá-las.
Em busca de uma explicação alternativa, a equipe desenvolveu uma abordagem de aprendizado de máquina para encontrar o número relativamente pequeno de filamentos dobrados em suas imagens de microscopia crioeletrônica para analisar suas estruturas. Eles então determinaram as estruturas dos filamentos dobrados em ambos os estados bioquímicos, onde a escala de dobramento correspondia àquela encontrada nas células quando os filamentos resvalam da membrana durante a locomoção. “Desenvolver uma maneira de capturar esse subconjunto de imagens foi crucial”, diz Alushin. “Este foi um caso em que era necessário um avanço metodológico para o avanço científico.”
Quando dobrada, a actina que continha fosfato parecia muito diferente da actina sem fosfato, de modo que as proteínas de ligação à actina seriam capazes de distinguir facilmente entre os dois estados. “A mudança no estado bioquímico do filamento influencia as maneiras pelas quais o filamento pode se deformar quando a força é aplicada”, diz Reynolds.
Um novo modelo começou a surgir: enquanto uma proteína de actina em um filamento pode se flexionar de várias maneiras quando o polímero se dobra, essa flexibilidade é limitada quando um fosfato limita seu estilo. Imagine um tubo flexível contendo pequenos donuts, lado a lado. Alguns dos donuts têm buracos abertos, outros têm bolas de golfe em seus buracos, mas são idênticos. Quando o tubo se dobra, os donuts se esmagam e mudam de forma, mas aqueles com bolas de golfe se deformam de maneira diferente dos outros.
Da mesma forma, os dois estados de actina são essencialmente indistinguíveis antes do filamento dobrar, mas, uma vez que a força é aplicada, aqueles com fosfato espremem de forma diferente daqueles sem ele. “O que importa é a deformabilidade da proteína”, diz Alushin. “Se houver um buraco no meio, ele pode flexionar de uma maneira. Se você preencher esse buraco com fosfato, ele não será capaz de se espremer da mesma maneira.”
Os resultados explicam como as proteínas de ligação à actina podem distinguir entre os estados bioquímicos da actina e revelam um modelo de regulação da proteína que envolve estados bioquímicos e força trabalhando em conjunto. Em estudos futuros, Alushin espera investigar se outras proteínas são co-reguladas de forma semelhante.
“Nosso estudo da actina é um primeiro vislumbre desse fenômeno, mas uma limitação agora é que não temos estruturas de outras proteínas responsivas à força em ação”, diz ele. “Valeria a pena olhar para essas proteínas, uma vez que se torna tecnicamente possível fazê-lo.”
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