Las forminas se componen de dos partes idénticas (roja, naranja) que rodean el filamento de actina (gris) en una conformación en forma de anillo. Crédito: Fisiología Molecular MPI
Los investigadores de Max Plank de Dortmund han revelado los mecanismos moleculares mediante los cuales las proteínas forminas en forma de anillo facilitan el crecimiento de los filamentos de actina en las células.
La actina es una proteína muy abundante que controla la forma y el movimiento de todas nuestras células. La actina hace esto ensamblando filamentos, una molécula de actina a la vez. Las proteínas de la familia de las forminas son socios esenciales en este proceso: ubicadas al final del filamento, las forminas reclutan nuevas subunidades de actina y permanecen asociadas al extremo «caminando» con el filamento en crecimiento.
Hay hasta 15 formas diferentes en nuestras células que estimulan el crecimiento de los filamentos de actina a diferentes velocidades y con diferentes propósitos. Sin embargo, el mecanismo exacto de acción de las forminas y la base de sus diferentes tasas inherentes siguen siendo difíciles de alcanzar. Ahora, por primera vez, investigadores del grupo de Stefan Raunser y Peter Bieling del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Dortmund han visualizado a nivel molecular cómo se unen las forminas a los extremos de los filamentos de actina.
Esto les permitió descubrir cómo las forminas participan en la adición de nuevas moléculas de actina a un filamento en crecimiento. Además, aclararon las razones de las diferentes velocidades a las que las diferentes formas promueven este proceso. Los investigadores del MPI utilizaron una combinación de estrategias bioquímicas y microscopía crioelectrónica (crio-EM). Este descubrimiento, publicado en la revista Science, puede ayudarnos a explicar por qué determinadas mutaciones en las formas pueden provocar enfermedades neurológicas, inmunitarias y cardiovasculares.
Unir fuerzas
«Nuestro descubrimiento nos permite interpretar décadas de estudios bioquímicos sobre las forminas desde nuevos ángulos, lo que responde a muchas preguntas abiertas desde hace mucho tiempo en este campo», explica Peter Bieling. Estructuras anteriores de cristalización por rayos X revelaron que las forminas constan de dos partes idénticas que rodean el filamento de actina en una conformación en forma de anillo y corren a lo largo de él a medida que crece. En los modelos especulativos sugeridos hasta ahora, las forminas interactúan a través de sus cuatro dominios de unión a actina, mientras que las forminas de movimiento lento y rápido adoptarían diferentes formas en el filamento.
Micaela Boiero Sanders y Wout Oosterheert con el criomicroscopio electrónico. Crédito: Fisiología Molecular MPI
«Pero estos estudios carecían de estructuras de alta resolución de forminas unidas a sus sitios de actividad relevantes, el extremo con púas de los filamentos de actina», explica Wout Oosterheert, investigador postdoctoral en el grupo de Stefan Raunser en el MPI de Dortmund y coprimer autor de la publicación. .
Las forminas son proteínas altamente dinámicas que ensamblan filamentos rápidamente. Esto dificulta la obtención de suficientes extremos de filamento para una determinación detallada de la estructura. Los científicos del MPI analizaron no una, sino tres formas distintas de hongos, ratones y humanos, todas las cuales alargan los filamentos de actina a velocidades muy diferentes. «Una de las formas que estudiamos es muy rápida y puede considerarse el Ferrari de las formas, mientras que otra se comporta más como un tractor», explica Stefan Raunser. Los científicos probaron y optimizaron una amplia variedad de condiciones que finalmente les dieron una gran cantidad de filamentos unidos a formina. “Confiamos en la experiencia que adquirimos en nuestros estudios anteriores. La optimización iterativa de la preparación de muestras bioquímicas y crio-EM fue esencial para obtener estas estructuras”, explica Micaela Boiero Sanders, la otra coautora del estudio.
Un nuevo paradigma
Las nuevas estructuras, con resoluciones de alrededor de 3,5 Ångstrom, muestran que las formas rodean a la actina como un anillo asimétrico: la mitad del anillo está unida de manera estable, mientras que la otra mitad está ligeramente asociada con el filamento y es libre de capturar una nueva subunidad. «El análisis de las estructuras nos dio un verdadero momento 'Eureka' con respecto al mecanismo», dicen Oosterheert y Boiero Sanders.
Cuando llega la nueva subunidad de actina, su incorporación al filamento desestabiliza la disposición del formino y requiere que el medio anillo estable pise la nueva subunidad y se desprenda, mientras que el otro medio anillo se estabiliza. A través de este mecanismo concertado, las forminas permanecen asociadas con el extremo del filamento de actina en crecimiento a lo largo de largas distancias. Contrariamente a las hipótesis anteriores, las estructuras son similares para las tres formas analizadas, con sólo tres dominios de unión comprometidos con la actina al mismo tiempo.
Al introducir mutaciones en las forminas, los científicos del MPI también explicaron las diferencias de velocidad entre los complejos actina-formina: si el anillo de formina está más estrechamente unido al extremo del filamento de actina, es más difícil que el anillo se suelte y pise un nuevo , subunidad de actina entrante. Como resultado, el crecimiento de los filamentos es más lento. «Ahora entendemos cómo una forma que se comporta como un tractor puede hacerse más rápida dándole características similares a las de un Ferrari», explica Peter Bieling.
El equipo del MPI espera que sus resultados sean útiles para los numerosos científicos de todo el mundo que estudian el citoesqueleto de actina. «Nuestros nuevos conocimientos abren un gran número de posibilidades para dilucidar las funciones específicas de las quince formas humanas a nivel celular, lo que puede mejorar nuestra comprensión de cómo las mutaciones en los genes de las forminas conducen a enfermedades graves», concluye Raunser.
Referencia: “Mecanismo molecular de elongación del filamento de actina por formanas” por Wout Oosterheert, Micaela Boiero Sanders, Johanna Funk, Daniel Prumbaum, Stefan Raunser y Peter Bieling, 12 de abril de 2024, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adn9560
