Os filamentos de actina - estruturas proteicas críticas para o movimento vivo de células individuais para animais - são conhecidos há muito tempo por terem polaridade associada a suas características físicas, com extremidades "farpadas" crescentes e pontas "pontudas" retraídas. As extremidades do filamento também são diferentes na forma como interagem com outras proteínas nas células. No entanto, o mecanismo que determina essas diferenças nunca foi totalmente claro para os cientistas. Agora, pesquisadores da Escola de Medicina Perelman da Universidade da Pensilvânia revelaram as principais estruturas atômicas das extremidades do filamento de actina por meio do uso de uma técnica chamada microscopia crioeletrônica (crio-EM).

O estudo, publicado na Science , fornece informações fundamentais que podem ajudar a preencher os detalhes por trás dos distúrbios que afetam alguns distúrbios musculares, ósseos, cardíacos, neurológicos e imunológicos resultantes de defeitos ou deficiências de actina.

A actina é a proteína mais abundante dentro das células de organismos superiores, como os animais. Ele serve como bloco de construção para estruturas longas e finas chamadas filamentos, que fornecem suporte estrutural essencial como parte do "citoesqueleto" celular, o sistema que dá às células sua forma e polaridade. Mudanças rápidas nos filamentos de actina são a base de eventos celulares importantes, como movimento ao longo de superfícies, contato célula a célula e divisão celular. Os filamentos de actina também são elementos importantes nas fibras musculares.

“Os resultados do nosso estudo fornecem uma compreensão mecanicista de um processo que conhecemos há mais de 40 anos, conhecido como esteira de filamentos, e afeta a forma como vemos os papéis celulares da actina na saúde e na doença”, disse o autor sênior do estudo. Roberto Dominguez, Ph.D., Professor Presidencial William Maul Measey de Fisiologia na Penn.

A dinâmica dos filamentos de actina é governada em grande parte pelo processo de "esteira", através do qual as proteínas de actina individuais são eliminadas de uma extremidade do filamento, conhecida como extremidade pontiaguda, e adicionadas à outra extremidade farpada. Os filamentos de actina podem ser estabilizados por distintas proteínas chamadas de "capeamento" que se ligam às extremidades do filamento para impedir a adição ou perda adicional de proteínas de actina individuais. Muitas outras proteínas também se ligam às extremidades farpadas e pontiagudas do filamento de actina. Mas os detalhes estruturais que determinam a especificidade dessas interações – os detalhes que explicam por que essas duas extremidades funcionam de maneira tão diferente – têm sido obscuros.

Em seu estudo, os pesquisadores, incluindo dois alunos da Penn - Peter Carman, Ph.D., um aluno recém-formado no laboratório de Dominguez, e Kyle Barrie, Ph.D., um aluno de pós-graduação atualmente no laboratório, que atuou como co- primeiros autores—analisaram filamentos de actina usando cryo-EM. Com esta técnica de imagem de alta resolução, um pesquisador obtém muitos milhares de instantâneos de uma molécula-alvo, alinha-os computacionalmente e, em seguida, calcula a média para reduzir o "ruído" aleatório da imagem - produzindo uma reconstrução 3D da molécula que pode ser nítida o suficiente para visualizar átomos individuais.

Com a ajuda da inteligência artificial (IA), os pesquisadores conseguiram se concentrar nas extremidades dos filamentos em vez de no meio, como já havia sido a norma em pesquisas semelhantes. Ao fazer isso, eles identificaram centenas de milhares de visualizações de extremidades de filamentos, permitindo-lhes obter reconstruções em escala quase atômica. Estes revelaram uma forma de actina "plana", ou conformação, na extremidade farpada destampada, versus uma conformação "torcida" na extremidade pontiaguda destampada.

Os dados também detalharam as mudanças estruturais induzidas por duas proteínas de capeamento de filamentos de actina, CapZ na extremidade farpada e tropomodulina na extremidade pontiaguda. Estas são as duas proteínas que se encontram nas extremidades do filamento nos músculos esqueléticos e cardíacos, desempenhando um papel essencial na estabilização dos filamentos de actina nas fibras musculares e, sem estas proteínas, os nossos músculos desmoronariam.

Os resultados deste estudo fornecem detalhes mecanísticos cruciais para uma compreensão mais profunda da biologia da actina como um todo. Os pesquisadores acreditam que esses insights do estudo também devem ser úteis para entender e, em última instância, tratar distúrbios causados ??pela disfunção da actina .