Помимо лучшего понимания этого жизненно важного процесса в организме, исследование молекулы механорецептора, запускающей свертывание крови, может стать потенциальной новой мишенью для терапевтического вмешательства. Чрезмерное свертывание крови может привести к сердечному приступу и инсульту — основным убийцам во всем мире, — в то время как недостаточное свертывание крови приводит к опасному для жизни кровотечению.«Мы открыли новую дверь для изучения того, как механическая сила запускает биохимические сигналы внутри живых клеток», — сказал Лайнинг (Арнольд) Джу, который был членом команды, проводившей исследование в качестве доктора философии. студент факультета биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Култера Технологического института Джорджии и Университета Эмори.
В настоящее время постдокторант в Сиднейском университете и Институте исследований сердца, Цзюй работал с аспирантом Технологического института Джорджии Юнфэн Ченом, проводя исследования в лаборатории профессора Чен Чжу в отделении Коултера. Также частью исследования были Линчжоу Сюэ из Университета штата Пенсильвания и Сяопин Ду из Университета Иллинойса в Чикаго.Об исследовании, проведенном при поддержке Национальных институтов здравоохранения и Национального научного фонда, 19 июля было опубликовано сообщение в журнале eLife. Считается, что это первое подробное механобиологическое исследование того, как механические силы, действующие на одну молекулу тромбоцита, воспринимаются и преобразуются в биохимические сигналы.
Помимо свертывания крови, эта работа может иметь значение для других клеточных систем, которые реагируют на механическую силу.В начале процесса свертывания тромбоциты человека используют высокоспециализированную молекулу, известную как гликопротеин Ib? (GPIb?) Для приема механических сигналов.
В процессе, известном как механочувствительность, механическая информация преобразуется в химические сигналы — высвобождение различных типов ионов кальция, которые изменяют адгезию между тромбоцитами и другими компонентами процесса свертывания крови. Используя свое уникальное экспериментальное оборудование, исследовательская группа сопоставила различные силы, приложенные к GPIb? молекула с различными химическими сигналами, работающая над пониманием работы этого естественного преобразователя, встроенного в тромбоциты человека.
Исследователи отметили в своей статье, что как клетки воспринимают свое механическое окружение и преобразуют силы в биохимические сигналы, это важный, но нерешенный вопрос в механобиологии.
Исследователи изучили, как механические силы вне тромбоцитов вызывают высвобождение ионов кальция внутри клеток. Они применили силу к GPIb? молекула через связывание фактора фон Виллебранда и мутантной формы этого белка плазмы, которая вызывает болезнь фон Виллибранда, нарушение свертываемости крови.Исследователи наблюдали два различных механических события: развертывание двух геометрически отдельных доменов GPIb ?. Они обнаружили, что эти два события происходят синергетически, передавая информацию о силах, действующих на GPIb ?, позволяя молекуле ощущать как величину силы, так и продолжительность ее действия.Два разворачивающихся события играют разные роли в определении количества и качества сигналов — силы и типов ионов кальция, запускаемых тромбоцитами. «Сила сигнала зависит от продолжительности воздействия», — отметил Чен, недавно получивший докторскую степень. в области биоинженерии и скоро будет постдокторантом в Исследовательском институте Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния.
«Молекула GPlb? Связана и притягивается фактором фон Виллебранда, который продлевается за счет разворачивания одного домена GPIb?», — сказал он. «Но тип сильного сигнала всегда следует за разворачиванием другого домена GPIb ?, который усиливается длительным вытягиванием с большой силой», — добавил Чен. «Эти свойства порождают кооперативность — синергетический эффект, который приводит к наивысшему количеству и качеству сигналов при оптимальной силе, когда это длится дольше всех».
Однако исследователи обнаружили, что мутация фактора фон Виллебранда, связанная с болезнью Виллибранда типа 2B, устраняет синергию между двумя разворачивающимися событиями, предотвращая GPIb? молекула от эффективного преобразования механических сигналов в биохимические сигналы.«В течение многих лет исследователи думали, что проблема заключается исключительно в нарушении адгезии тромбоцитов», — сказал Чжу. «Но наше исследование обнаруживает еще один недостаток: механо-чувствительный механизм не работает хорошо при наличии этой мутации. Тромбоцит просто не получает сигнала, который мог бы его активировать».Эти знания потенциально могут привести к новым методам лечения мутации и новым лекарствам, которые помогут контролировать свертывание крови.
«Мы предоставили некоторые молекулярные доказательства, позволяющие предположить, при каких сценариях тромбоциты будут реагировать ненормально», — сказал Джу. «Мы надеемся, что это может стать целью для нового терапевтического агента для лечения биомеханического тромбоза. Мы предоставили некоторые новые молекулярные знания об этом процессе».
Уникальный наноинструмент, разработанный исследователями, известен как датчик силы флуоресценции биомембраны. Зонд использует эритроцит для приложения силы к отдельной молекуле на тромбоците. Во время приложения силы исследователи могут изучить изменение ионов кальция, высвобождаемых внутри тромбоцитов за счет флуоресценции.
Возможность такого одновременного измерения является ключом к раскрытию GPIb? механочувствительный механизм на живом тромбоците.«В этой работе мы визуализировали конформационные изменения в отдельном белке и последующее сигнальное событие внутри клетки одновременно», — объяснил Джу. «Молекула GPlb? На поверхности тромбоцитов развернулась, когда мы потянули на нее с силой в масштабе пиконьютонов.
Это молекулярное конформационное изменение запускает высвобождение иона кальция в тромбоцитах, давая им команду стать более адгезивными и более реактивными».Два GPIb? Домены, изучаемые исследователями, широко распространены во многих семействах белков.
Методы, разработанные Джу и соавторами в этой работе, могут быть использованы для анализа механо-зондирования в других биологических системах.