Método de imagem destaca novo papel da proteína do “esqueleto” celular

Método de imagem destaca novo papel da proteína do “esqueleto” celular

Moléculas de actina ajudam a controlar a divisão das mitocôndrias, com implicações para doenças

LA JOLLA — Enquanto seu esqueleto ajuda seu corpo a se mover, finos filamentos semelhantes a esqueletos dentro de suas células também ajudam as estruturas celulares a se moverem. Agora, os pesquisadores da Salk desenvolveram um novo método de imagem que permite monitorar um pequeno subconjunto desses filamentos, chamado actina.

“A actina é a proteína mais abundante na célula, então, quando você a imagina, está por toda a célula”, diz Mansão Uri, diretor da instalação Biophotonics Core de Salk e autor correspondente do artigo. “Até agora, tem sido muito difícil dizer onde estão as moléculas de actina individuais de interesse, porque é difícil separar o sinal relevante de todo o background”.

Com a nova técnica de imagem, a equipe de Salk conseguiu entender como a actina medeia uma função importante: ajudar as “centrais elétricas” celulares conhecidas como mitocôndrias a se dividirem em duas. O trabalho, publicado na revista Nature Methods em 10 de agosto de 2020, poderia fornecer uma melhor compreensão da disfunção mitocondrial, que tem sido associada ao câncer, envelhecimento e doenças neurodegenerativas.

A fissão mitocondrial é o processo pelo qual essas estruturas geradoras de energia, ou organelas, se dividem e se multiplicam como parte da manutenção celular normal; as organelas se dividem não apenas quando a própria célula está se dividindo, mas também quando as células estão sob grandes quantidades de estresse ou as mitocôndrias estão danificadas. No entanto, a maneira exata pela qual uma mitocôndria se separa em duas mitocôndrias tem sido mal compreendida, particularmente como ocorre a constrição inicial. Estudos descobriram que a remoção total da actina de uma célula, entre muitos outros efeitos, leva a uma menor fissão mitocondrial, sugerindo um papel para a actina no processo. Mas destruir toda a actina causa tantos defeitos celulares que é difícil estudar o papel exato da proteína em qualquer processo, dizem os pesquisadores.

Então, Manor e seus colegas desenvolveram uma nova maneira de imaginar a actina. Em vez de marcar toda a actina na célula com fluorescência, eles criaram uma sonda de actina direcionada para a membrana externa da mitocôndria. Somente quando a actina está a 10 nanômetros da mitocôndria ela se liga ao sensor, fazendo com que o sinal de fluorescência aumente.

Em vez de ver a actina espalhada ao acaso por todas as membranas mitocondriais, como aconteceria se não houvesse interações discretas entre a actina e as organelas, a equipe de Manor viu pontos brilhantes de actina. E quando eles olharam de perto, os pontos quentes estavam localizados nos mesmos locais onde outra organela chamada retículo endoplasmático atravessa as mitocôndrias, anteriormente consideradas locais de fissão. De fato, enquanto a equipe observava os hotspots de actina acenderem e desaparecerem com o tempo, eles descobriram que 97% dos locais de fissão mitocondrial tinham fluorescência de actina ao seu redor. (Eles especulam que também havia actina nos outros 3% dos locais de fissão, mas que não era visível).

“Esta é a evidência mais clara que já vi de que a actina está se acumulando em locais de fissão”, diz Cara Schiavon, co-autora do artigo e pós-doutoranda conjunta nos laboratórios de Uri Manor e Salk Professor Gerald Shadel. “É muito mais fácil ver do que quando você usa qualquer outro marcador de actina.”

Ao alterar a sonda de actina para que ela se ligasse à membrana do retículo endoplasmático em vez da mitocôndria, os pesquisadores conseguiram juntar a ordem na qual diferentes componentes se juntam ao processo de fissão mitocondrial. Os resultados da equipe sugerem que a actina se liga à mitocôndria antes de atingir o retículo endoplasmático. Isso fornece informações importantes sobre como o retículo endoplasmático e as mitocôndrias trabalham juntos para coordenar a fissão mitocondrial.

Em experimentos adicionais descritos em um manuscrito pré-impresso disponível no bioRxiv, A equipe de Manor também relata que o mesmo acúmulo de actina associada ao retículo endoplasmático é observado nos locais onde outras organelas celulares - incluindo endossomos, lisossomos e peroxissomos - se dividem. Isso sugere um novo papel amplo para um subconjunto de actina na dinâmica e homeostase de organelas (equilíbrio fisiológico).

No futuro, a equipe espera observar como as mutações genéticas conhecidas por alterar a dinâmica mitocondrial também podem afetar as interações da actina com as mitocôndrias. Eles também planejam adaptar as sondas de actina para visualizar a actina que está próxima a outras membranas celulares.

“Esta é uma ferramenta universal que agora pode ser usada para muitas aplicações diferentes”, diz Tong Zhang, especialista em microscopia de luz da Salk e co-autor do artigo. “Ao trocar a sequência de direcionamento ou o nanocorpo, você pode abordar outras questões fundamentais na biologia celular.”

“Estamos na era de ouro da microscopia, onde novos instrumentos com resolução cada vez maior estão sempre sendo inventados; mas, apesar disso, ainda existem grandes limitações para o que você pode ver”, diz Manor. “Acho que combinar esses microscópios poderosos com novos métodos que selecionam exatamente o que você deseja ver é a próxima geração de imagens.”

Outros pesquisadores do estudo foram Pauline Wales, Leonardo Andrade, Melissa Wu, Tsung-Chang Sung, Yelena Dayn e Gerald Shadel de Salk; Bing Zhao e Robert Grosse da Universidade de Freiburg; Andrew Moore do Instituto Médico Howard Hughes; e Jasmine Feng e Omar Quintero da Universidade de Richmond.

O Waitt Advanced Biophotonics Center (sede das instalações do Salk's Biophotonics Core) é financiado pela Waitt Foundation e pelo National Cancer Institute. O trabalho e os pesquisadores envolvidos também foram apoiados pela Salk Transgenic Core Facility, National Institutes of Health, National Institute of General Medical Sciences, Human Frontier Science Program, Center for Integrative Biological Signaling Studies e University of Richmond School of Arts & Sciences.

DOI: 10.1038/s41592-020-0926-5