Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54811 10.29039/rusjbpc.2022.0475 Общая биофизика General biophysics Общая биофизика STUDY OF THE EFFECT OF ACTIN-BINDING PROTEINS ON THE BENDING STIFFNESS OF ACTIN FILAMENT USING THE OPTICAL TRAP METHOD Исследование влияния актин-связывающих белков на изгибную жесткость актиновой нити с помощью метода оптической ловушки Набиев С. Р. Nabiev S. R. salavatik2003@gmail.com Никитина Л. В. Nikitina L. V. Матюшенко А. М. Matyushenko A. M. Щепкин Д. В. Shchepkin D. V. Копылова Г. В. Kopylova G. V. Институт иммунологии и физиологии УрО РАН Екатеринбург Россия Institute of Immunology and Physiology of the UB RAS Yekaterinburg Russian Federation Институт иммунологии и физиологии УрО РАН Екатеринбург Россия Institute of Immunology and Physiology of the UB RAS Yekaterinburg Russian Federation Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН Москва Россия A.N. Bach Institute of Biochemistry of the RAS Moscow Russian Federation Институт иммунологии и физиологии УрО РАН Екатеринбург Россия Institute of Immunology and Physiology of the UB RAS Yekaterinburg Russian Federation Институт иммунологии и физиологии УрО РАН Екатеринбург Россия Institute of Immunology and Physiology of the UB RAS Yekaterinburg Russian Federation 25 03 2022 25 03 2022 7 1 9 12 20 03 2022 20 03 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54811/view

Для обеспечения сократительной функции мышц важна стабильность тонкой нити, в поддержании которой принимают участие актин-связывающие белки тропомиозин и тропомодулин (Tmod). Известно, что наличие регуляторного белка тропомиозина на актиновой нити увеличивает её жёсткость. Тропомодулин представляет собой актин-кэпирующий белок, который связывается с минус-концом актиновой нити, предотвращает её разборку, регулирует её длину и определяет её стабильность В сократительном аппарате поперечно-полосатых мышц экспрессируется две изоформы тропомодулина – Tmod1 и Tmod4. Изоформа Tmod1 экспрессируется в миокарде, и обе изоформы экспрессируются в быстрых скелетных мышцах. Используя метод оптической ловушки, проанализировано влияние актин-связывающих белков, тропомиозина и тропомодулина (изоформ Tmod1 и Tmod4), на изгибную жёсткость актиновой нити. Обнаружено, что присутствие регуляторных белков тропомиозин и тропонина на актиновой нити увеличивает её изгибную жёсткость. Изоформы тропомодулина по-разному влияли на неё. Изоформа Tmod4 уменьшала изгибную жёсткость тонкой нити, реконструированной из актина, тропонина и тропомиозина, а изоформа Tmod1 не влияла на неё. Полученные результаты говорят об изоформ специфическом взаимодействии тропомодулина с актином и тропомиозином.

To ensure the contractile function of muscles, the stability of a thin filament is important, which is maintained by the actin-binding proteins tropomyosin and tropomodulin (Tmod). It is known that the presence of the regulatory protein tropomyosin on the actin filament increases its stiffness. Tropomodulin is an actin-capping protein that binds to the minus end of the actin filament, prevents its disassembly, regulates its length, and determines its stability. Two isoforms of tropomodulin, Tmod1 and Tmod4, are expressed in the contractile apparatus of striated muscles. The Tmod1 isoform is expressed in the myocardium, and both isoforms are expressed in fast skeletal muscles. Using an optical trap method, the effect of actin-binding proteins, tropomyosin and tropomodulin (Tmod1 and Tmod4 isoforms), on the bending stiffness of the actin filament was analyzed. It was found that the presence of the regulatory proteins tropomyosin and troponin on the actin filament increases its flexural rigidity. Tropomodulin isoforms affected it differently. The Tmod4 isoform reduced the bending stiffness of a thin filament reconstructed from actin, troponin, and tropomyosin, while Tmod1 did not affect it. The results obtained indicate an isoform-specific interaction of tropomodulin with actin and tropomyosin.

 актин тропомиозин тропомодулин изгибная жесткость оптическая ловушка actin tropomyosin tropomodulin bending stiffness optical trap Работа поддержана РНФ (грант №22-24-00729) и выполнена на оборудовании ЦКП ИИФ УрО РАН.

Weber A., Pennise C.R., Babcock G.G., Fowler V.M. Tropomodulin caps the pointed ends of actin filaments. The Journal of cell biology, 1994, vol. 127, pp. 1627-1635, doi: 10.1083/jcb.127.6.1627. Weber A., Pennise C.R., Babcock G.G., Fowler V.M. Tropomodulin caps the pointed ends of actin filaments. The Journal of cell biology, 1994, vol. 127, pp. 1627-1635, doi: 10.1083/jcb.127.6.1627. Littlefield R., Almenar-Queralt A., Fowler V.M. Actin dynamics at pointed ends regulates thin filament length in striated muscle. Nature cell biology, 2001, vol. 3, pp. 544-551, doi: 10.1038/35078517. Littlefield R., Almenar-Queralt A., Fowler V.M. Actin dynamics at pointed ends regulates thin filament length in striated muscle. Nature cell biology, 2001, vol. 3, pp. 544-551, doi: 10.1038/35078517. Gokhin D.S., Fowler V.M. Tropomodulin capping of actin filaments in striated muscle development and physiology. Journal of biomedicine & biotechnology, 2011, e103069, doi: 10.1155/2011/103069. Gokhin D.S., Fowler V.M. Tropomodulin capping of actin filaments in striated muscle development and physiology. Journal of biomedicine & biotechnology, 2011, e103069, doi: 10.1155/2011/103069. Yamashiro S., Gokhin D.S., Kimura S., Nowak R.B., Fowler V.M. Tropomodulins: pointed-end capping proteins that regulate actin filament architecture in diverse cell types. Cytoskeleton, 2012, vol. 69, pp. 337-370, doi: 10.1002/cm.21031. Yamashiro S., Gokhin D.S., Kimura S., Nowak R.B., Fowler V.M. Tropomodulins: pointed-end capping proteins that regulate actin filament architecture in diverse cell types. Cytoskeleton, 2012, vol. 69, pp. 337-370, doi: 10.1002/cm.21031. Tsukada T., Kotlyanskaya L., Huynh R., Desai B., Novak S.M., Kajava A.V., Gregorio C.C., Kostyukova A.S. Identification of residues within tropomodulin-1 responsible for its localization at the pointed ends of the actin filaments in cardiac myocytes. The Journal of Biological Chemistry, 2011, vol. 286, no. 3, pp. 2194-2204, doi: 10.1074/jbc.M110.186924. Tsukada T., Kotlyanskaya L., Huynh R., Desai B., Novak S.M., Kajava A.V., Gregorio C.C., Kostyukova A.S. Identification of residues within tropomodulin-1 responsible for its localization at the pointed ends of the actin filaments in cardiac myocytes. The Journal of Biological Chemistry, 2011, vol. 286, no. 3, pp. 2194-2204, doi: 10.1074/jbc.M110.186924. Tolkatchev D., Smith G.E. Jr., Schultz L.E., Colpan M., Helms G.L., Cort J.R., Gregorio C.C., Kostyukova A.S. Leiomodin creates a leaky cap at the pointed end of actin-thin filaments. PLoS Biology, 2020, vol. 18, no. 9, e3000848, doi: 10.1371/journal.pbio.3000848. Tolkatchev D., Smith G.E. Jr., Schultz L.E., Colpan M., Helms G.L., Cort J.R., Gregorio C.C., Kostyukova A.S. Leiomodin creates a leaky cap at the pointed end of actin-thin filaments. PLoS Biology, 2020, vol. 18, no. 9, e3000848, doi: 10.1371/journal.pbio.3000848. Kostyukova A.S., Choy A., Rapp B.A. Tropomodulin binds two tropomyosins: a novel model for actin filament capping. Biochemistry, 2006, vol. 45, pp. 12068-12075, doi: 10.1021/bi060899i. Kostyukova A.S., Choy A., Rapp B.A. Tropomodulin binds two tropomyosins: a novel model for actin filament capping. Biochemistry, 2006, vol. 45, pp. 12068-12075, doi: 10.1021/bi060899i. Colpan M., Moroz N.A., Kostyukova A.S. Tropomodulins and tropomyosins: working as a team. Journal of muscle research and cell motility, 2013, vol. 34, pp. 247-260, doi: 10.1007/s10974-013-9349-6. Colpan M., Moroz N.A., Kostyukova A.S. Tropomodulins and tropomyosins: working as a team. Journal of muscle research and cell motility, 2013, vol. 34, pp. 247-260, doi: 10.1007/s10974-013-9349-6. Pardee J.D., Spudich J.A. Purification of muscle actin. Methods Enzymology, 1982, vol. 85, pp. 164-179, doi: 10.1016/0076-6879(82)85020-9. Pardee J.D., Spudich J.A. Purification of muscle actin. Methods Enzymology, 1982, vol. 85, pp. 164-179, doi: 10.1016/0076-6879(82)85020-9. Potter J.D. Preparation of troponin and its subunits. Methods Enzymology, 1982, vol. 85, pp. 241-263, doi: 10.1016/0076-6879(82)85024-6. Potter J.D. Preparation of troponin and its subunits. Methods Enzymology, 1982, vol. 85, pp. 241-263, doi: 10.1016/0076-6879(82)85024-6. Kopylova G.V., Berg V.Y., Kochurova A.M., Matyushenko A.M., Bershitsky S.Y., Shchepkin D.V. The effects of the tropomyosin cardiomyopathy mutations on the calcium regulation of actin-myosin interaction in the atrium and ventricle differ. Biochemical and biophysical research communications, 2022, vol. 588, pp. 29-33, doi: 10.1016/j.bbrc.2021.12.051. Kopylova G.V., Berg V.Y., Kochurova A.M., Matyushenko A.M., Bershitsky S.Y., Shchepkin D.V. The effects of the tropomyosin cardiomyopathy mutations on the calcium regulation of actin-myosin interaction in the atrium and ventricle differ. Biochemical and biophysical research communications, 2022, vol. 588, pp. 29-33, doi: 10.1016/j.bbrc.2021.12.051. Nabiev S.R., Ovsyannikov D.A., Kopylova G.V., Shchepkin D.V., Matyushenko A.M., Koubassova N.A., Levitsky D.I., Tsaturyan A.K., Bershitsky S.Y. Stabilizing the central part of tropomyosin increases the bending stiffness of the thin filament. Biophysical Journal, 2015, vol. 109, no. 2, pp. 373-379, doi: 10.1016/j.bpj.2015.06.006. Nabiev S.R., Ovsyannikov D.A., Kopylova G.V., Shchepkin D.V., Matyushenko A.M., Koubassova N.A., Levitsky D.I., Tsaturyan A.K., Bershitsky S.Y. Stabilizing the central part of tropomyosin increases the bending stiffness of the thin filament. Biophysical Journal, 2015, vol. 109, no. 2, pp. 373-379, doi: 10.1016/j.bpj.2015.06.006. Yamashiro S., Gokhin D.S., Sui Z., Bergeron S.E., Rubenstein P.A., Fowler V.M. Differential actin-regulatory activities of Tropomodulin1 and Tropomodulin3 with diverse tropomyosin and actin isoforms. The Journal of biological chemistry, 2014, vol. 289, pp. 11616-11629, doi: 10.1074/jbc.M114.555128. Yamashiro S., Gokhin D.S., Sui Z., Bergeron S.E., Rubenstein P.A., Fowler V.M. Differential actin-regulatory activities of Tropomodulin1 and Tropomodulin3 with diverse tropomyosin and actin isoforms. The Journal of biological chemistry, 2014, vol. 289, pp. 11616-11629, doi: 10.1074/jbc.M114.555128. Greenfield N.J., Kostyukova A.S., Hitchcock-DeGregori S.E. Structure and tropomyosin binding properties of the N-terminal capping domain of tropomodulin 1. Biophysical Journal, 2005, vol. 88, no. 1, pp. 372-383, doi: 10.1529/biophysj.104.051128. Greenfield N.J., Kostyukova A.S., Hitchcock-DeGregori S.E. Structure and tropomyosin binding properties of the N-terminal capping domain of tropomodulin 1. Biophysical Journal, 2005, vol. 88, no. 1, pp. 372-383, doi: 10.1529/biophysj.104.051128.