As forminas são feitas de duas partes idênticas (vermelha, laranja) que circundam o filamento de actina (cinza) em uma conformação semelhante a um anel. Crédito: MPI de Fisiologia Molecular
Os pesquisadores do Max Plank de Dortmund revelaram os mecanismos moleculares pelos quais as proteínas forminas em forma de anel facilitam o crescimento de filamentos de actina nas células.
A actina é uma proteína altamente abundante que controla a forma e o movimento de todas as nossas células. A actina consegue isso reunindo-se em filamentos, uma molécula de actina de cada vez. As proteínas da família das forminas são parceiras essenciais neste processo: posicionadas na extremidade do filamento, as forminas recrutam novas subunidades de actina e permanecem associadas à extremidade, “pisando” com o filamento em crescimento.
Existem até 15 formas diferentes em nossas células que impulsionam o crescimento do filamento de actina em velocidades diferentes e para finalidades diferentes. No entanto, o mecanismo exato de ação das forminas e a base para as suas diferentes velocidades inerentes permaneceram indefinidos. Agora, pela primeira vez, investigadores dos grupos de Stefan Raunser e Peter Bieling do Instituto Max Planck de Fisiologia Molecular em Dortmund visualizaram ao nível molecular como as forminas se ligam às extremidades dos filamentos de actina.
Isto permitiu-lhes descobrir como as forminas medeiam a adição de novas moléculas de actina a um filamento em crescimento. Além disso, elucidaram as razões das diferentes velocidades com que as diferentes formas promovem esse processo. Os pesquisadores do MPI usaram uma combinação de estratégias bioquímicas e criomicroscopia eletrônica (crio-EM). A descoberta, publicada na revista Science, pode ajudar-nos a explicar porque é que certas mutações nas forminas podem levar a doenças neurológicas, imunitárias e cardiovasculares.
Unindo forças
“Nossa descoberta nos permite interpretar décadas de estudos bioquímicos sobre forminas através de novas lentes, o que responde a muitas questões abertas e de longa data neste campo”, diz Peter Bieling. Estruturas anteriores da cristalização de raios X revelaram que as forminas são feitas de duas partes idênticas que circundam o filamento de actina em uma conformação semelhante a um anel e avançam ao longo dele à medida que cresce. Nos modelos especulativos sugeridos até agora, as forminas interagem através de todos os seus quatro domínios de ligação com a actina, enquanto as forminas de movimento lento e rápido adotariam diferentes formas no filamento.
Micaela Boiero Sanders e Wout Oosterheert no criomicroscópio eletrônico. Crédito: MPI de Fisiologia Molecular
“Mas esses estudos careciam de estruturas de alta resolução de forminas ligadas aos seus locais relevantes de atividade, a extremidade farpada dos filamentos de actina”, diz Wout Oosterheert, pós-doutorado no grupo de Stefan Raunser no MPI Dortmund e co-autor da publicação. .
Forminas são proteínas altamente dinâmicas que montam filamentos rapidamente, por isso é difícil obter extremidades de filamento suficientes para determinação detalhada da estrutura. Os cientistas do MPI analisaram não apenas uma, mas três formas distintas originadas de fungos, camundongos e humanos, que alongam filamentos de actina em velocidades muito diferentes. “Um dos formins que estudamos é muito rápido e pode ser considerado a Ferrari entre os formins, enquanto outro formin se comporta mais como um trator”, diz Stefan Raunser. Os cientistas testaram e otimizaram uma ampla variedade de condições que resultaram em um grande número de filamentos ligados ao formin. “Aproveitamos a experiência que adquirimos em nossos estudos anteriores. A otimização iterativa da preparação de amostras bioquímicas e crio-EM foi fundamental para a obtenção dessas estruturas”, diz Micaela Boiero Sanders, outra co-autora do estudo.
Um novo paradigma
As novas estruturas, com resoluções em torno de 3,5 Ångstrom, mostram que as forminas circundam a actina como um anel assimétrico: uma metade do anel está ligada de forma estável, enquanto a outra metade está frouxamente associada ao filamento e está livre para capturar uma nova subunidade. “A análise das estruturas proporcionou-nos um verdadeiro momento ‘Eureka’ em relação ao mecanismo”, afirmam Oosterheert e Boiero Sanders.
Quando a nova subunidade de actina chega, sua incorporação no filamento desestabiliza o arranjo da formina e exige que o meio-anel estável pise na nova subunidade e se solte, enquanto o outro meio-anel se torna estável. Graças a este mecanismo concertado, as forminas permanecem associadas à extremidade crescente do filamento de actina por longas distâncias. Ao contrário das hipóteses anteriores, as estruturas são semelhantes para todas as três formas analisadas, com apenas três domínios de ligação envolvidos com a actina ao mesmo tempo.
Ao introduzir mutações nas forminas, os cientistas do MPI também explicaram as diferenças de velocidade entre os complexos actina-formina: se o anel de formina estiver mais firmemente ligado à extremidade do filamento de actina, será mais difícil para o anel se soltar e passar para um novo, subunidade de actina de entrada. Como resultado, o crescimento do filamento é mais lento. “Agora entendemos como um formin que se comporta como um trator pode ser tornado mais rápido com algumas características semelhantes às da Ferrari”, diz Peter Bieling.
A equipe do MPI espera que seus resultados sejam úteis para muitos cientistas ao redor do mundo que estudam o citoesqueleto de actina. “Nossos novos insights abrem um grande número de possibilidades para elucidar os papéis específicos das quinze formas humanas no nível celular, o que pode aumentar nossa compreensão de como as mutações nos genes das forminas levam a doenças graves”, conclui Raunser.
Referência: “Mecanismo molecular de alongamento do filamento de actina por forminas” por Wout Oosterheert, Micaela Boiero Sanders, Johanna Funk, Daniel Prumbaum, Stefan Raunser e Peter Bieling, 12 de abril de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adn9560
