Зарождение микротрубочек
В клеточной биологии зарождение микротрубочек — это событие, которое инициирует de novo образование микротрубочек (МТ) . Эти нити цитоскелета обычно образуются посредством полимеризации димеров α- и β- тубулина , основных строительных блоков микротрубочек, которые первоначально взаимодействуют, образуя зародыши, из которых удлиняются нити. [1]
Зарождение микротрубочек происходит спонтанно in vitro , при этом растворы очищенного тубулина приводят к образованию полноразмерных полимеров. Димеры тубулина, из которых состоят полимеры, обладают способностью самоагрегироваться и собираться в цилиндрические трубки при условии достаточного количества GTP. Однако кинетические барьеры такого процесса означают, что скорость спонтанного зарождения микротрубочек относительно низкая. [2]
Роль γ-тубулина и кольцевого комплекса γ-тубулина (γ-TuRC)
[ редактировать ]In vivo клетки обходят этот кинетический барьер, используя различные белки, способствующие зарождению микротрубочек. Первичный путь, посредством которого происходит зарождение микротрубочек, требует действия третьего типа тубулина, γ-тубулина , который отличается от субъединиц α и β, составляющих сами микротрубочки. γ-тубулин объединяется с несколькими другими связанными белками, образуя коническую структуру, известную как кольцевой комплекс γ-тубулина (γ-TuRC). Этот комплекс, обладающий 13-кратной симметрией, действует как каркас или матрица для димеров α/β тубулина во время процесса нуклеации, ускоряя сборку кольца из 13 протофиламентов , составляющих растущую микротрубочку. [3] γ-TuRC также действует как крышка (-) конца, в то время как микротрубочка продолжает расти со своего (+) конца. Этот колпачок обеспечивает стабильность и защиту (-) конца микротрубочки от ферментов, которые могут привести к его деполимеризации, а также ингибирует рост (-) конца.
Нуклеация МТ из центров организации микротрубочек (MTOC)
[ редактировать ]γ-TuRC обычно встречается в качестве основной функциональной единицы в центре организации микротрубочек (MTOC), таком как центросома в некоторых клетках животных или тельца полюса веретена в грибах и водорослях . зарождают множество микротрубочек γ-TuRC в центросоме в интерфазе , которые простирают свои (+)-концы радиально наружу в цитоплазму к периферии клетки. Помимо других функций, этот радиальный массив используется моторными белками на основе микротрубочек для транспортировки различных грузов, таких как везикулы, к плазматической мембране.
Центросома является наиболее распространенным MTOC для мультипотентных клеток у животных, при этом дифференцированные ткани используют широкий спектр нецентросомальных MTOC.
Нецентросомные MTOC
[ редактировать ]В клетках животных, подвергающихся митозу , аналогичный радиальный массив генерируется из двух MTOC, называемых полюсами веретена , которые образуют биполярное митотическое веретено. Однако в некоторых клетках, таких как клетки высших растений и ооциты, отсутствуют отдельные MTOC, и микротрубочки зарождаются нецентросомным путем. Другие клетки, такие как нейроны, клетки скелетных мышц и эпителиальные клетки, которые имеют MTOC, обладают массивами микротрубочек, не связанных с центросомой. [4] Эти нецентросомальные массивы микротрубочек могут принимать различную геометрию, например, приводящую к длинной, тонкой форме мышечных трубочек , тонким выступам аксона или сильно поляризованным доменам эпителиальной клетки .
В эпителиальных клетках CAMSAP3 действует как нецентросомальный MTOC и локализуется на апикальной мембране клетки. [5] Микротрубочки растут из этого домена параллельными линиями, придавая клетке прямоугольную форму.
Ранние клетки предимплантационного эмбриона мыши используют уникальный нецентросомальный MTOC в форме межфазного мостика из микротрубочек, соединяющего сестринские клетки. Этот межфазный мост организует микротрубочки обеих клеток и использует CAMSAP3 для связывания минус-концов микротрубочек. [6]
Предполагается, что в корковом слое растений, а также в аксонах нейронов микротрубочки образуются из существующих микротрубочек под действием расщепляющих ферментов, таких как катанин . [7] Подобно действию кофилина при создании массивов актиновых филаментов, разрыв микротрубочек с помощью MAP создает новые плюсовые (+) концы, из которых могут расти микротрубочки. Таким образом, динамические массивы микротрубочек могут быть созданы без помощи γ-TuRC.
Ветвящееся зарождение МТ
[ редактировать ]Исследования с использованием экстрактов яиц Xenopus выявили новую форму зарождения микротрубочек, которая генерирует веерообразные ветвящиеся массивы, в которых новые микротрубочки растут под углом к старым микротрубочкам. Эти ветвящиеся микротрубочки сохраняют ту же полярность, что и их материнские микротрубочки, и их сборка включает связывание нецентросомных γ-TuRCs с сторонами существующих микротрубочек посредством аугминового комплекса . Этот метод микротрубочек-зависимого зарождения микротрубочек приводит к быстрому увеличению плотности микротрубочек. [8]
Ветвящееся зародышеобразование МТ наблюдалось у многих организмов как растительного, так и животного царства. С помощью TIRF-микроскопии исследователи визуально наблюдали зарождение ветвящихся микротрубочек в клетках дрозофилы во время формирования митотического веретена. [9] пять белков (от DGT2 до DGT6), которые необходимы и ответственны за облегчение локализации γ-тубулина на существующих МТ и не связаны с его локализацией в центросоме. У дрозофилы идентифицированы [10]
Роль белков, связанных с микротрубочками (MAP)
[ редактировать ]Хотя γ-TuRC является основным белком, используемым для зарождения микротрубочек, это не единственный белок, который действует как фактор нуклеации. Некоторые другие MAP помогают γ-TuRC в процессе нуклеации, тогда как другие зарождают микротрубочки независимо от γ-TuRC. При описанной выше нуклеации ветвления добавление TPX2 к экстрактам яиц приводило к резкому увеличению количества событий нуклеации - в то время как в других исследованиях белок XMAP215 зарождал in vitro астры микротрубочек, истощение его in vivo снижало потенциал нуклеации центросом. [11] Белок, связывающий микротрубочки, даблкортин , in vitro образует ядра микротрубочек, действуя путем связывания с боковой, а не с концами растущих микротрубочек. [12] Таким образом, в клетках может существовать семейство белков факторов нуклеации, которые используют различные механизмы для снижения энергетических затрат на зарождение микротрубочек. Недавние исследования предоставили доказательства концепции о том, что стимулирование нуклеации микротрубочек возможно с помощью комбинации димеров α- и β- тубулина и вышеупомянутого MAP TPX2 , даже в отсутствие γ-TuRC. [13]
Несколько белков участвуют в форматировании γ-TuRC, а также во временном и пространственном контроле зарождения микротрубочек. К ним относятся, например, спирально-спиральные белки со структурными функциями и регуляторные белки, такие как компоненты цикла Рана . NEDD1 рекрутирует γ-TuRC в центросому путем связывания с γ-тубулином. [14] [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джоб Д., Валирон О., Окли Б. (февраль 2003 г.). «Нуклеация микротрубочек». Современное мнение в области клеточной биологии . 15 (1): 111–117. дои : 10.1016/S0955-0674(02)00003-0 . ПМИД 12517712 .
- ^ Десаи А., Митчисон Т.Дж. (1998). «Динамика полимеризации микротрубочек». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 13 : 83–117. дои : 10.1146/annurev.cellbio.13.1.83 . ПМИД 9442869 .
- ^ Коллман Дж. М., Полька Дж. К., Зелтер А., Дэвис Т. Н., Агард Д. А. (август 2010 г.). «Гамма-TuSC, зарождающая микротрубочки, собирает структуры с 13-кратной симметрией, подобной микротрубочкам» . Природа . 466 (7308): 879–882. Бибкод : 2010Natur.466..879K . дои : 10.1038/nature09207 . ПМК 2921000 . ПМИД 20631709 .
- ^ Бартолини Ф., Гундерсен Г.Г. (октябрь 2006 г.). «Генерация массивов нецентросомальных микротрубочек». Журнал клеточной науки . 119 (Часть 20): 4155–4163. дои : 10.1242/jcs.03227 . ПМИД 17038542 . S2CID 8505948 .
- ^ Мэн, Вэньсян; Мусика, Ёшими; Ичии, Тецуо; Такеичи, Масатоши (ноябрь 2008 г.). «Закрепление минусовых концов микротрубочек к адгезионным соединениям регулирует межклеточные контакты эпителия» . Клетка . 135 (5): 948–959. дои : 10.1016/j.cell.2008.09.040 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 19041755 . S2CID 14503414 .
- ^ Зенкер, Дж.; Уайт, доктор медицины; Темплин, РМ; Партон, Р.Г.; Торн-Сешолд, О.; Биссьер, С.; Плахта, Н. (сентябрь 2017 г.). «Центр организации микротрубочек, управляющий внутриклеточным транспортом у раннего эмбриона мыши» . Наука . 357 (6354): 925–928. Бибкод : 2017Sci...357..925Z . дои : 10.1126/science.aam9335 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 28860385 . S2CID 206658036 .
- ^ Линдебум Дж. Дж., Накамура М., Хиббел А., Шундьяк К., Гутьеррес Р., Кетелаар Т. и др. (декабрь 2013 г.). «Механизм переориентации массивов корковых микротрубочек, вызванный разрывом микротрубочек» . Наука . 342 (6163): 1245533. doi : 10.1126/science.1245533 . ПМИД 24200811 . S2CID 206552196 .
- ^ Петри С., Гроен А.С., Исихара К., Митчисон Т.Дж., Вейл Р.Д. (февраль 2013 г.). «Зарождение разветвления микротрубочек в экстрактах яиц Xenopus, опосредованное аугмином и TPX2» . Клетка . 152 (4): 768–777. дои : 10.1016/j.cell.2012.12.044 . ПМК 3680348 . ПМИД 23415226 .
- ^ Верма В., Мареска Т.Дж. (сентябрь 2019 г.). «Прямое наблюдение зарождением разветвления МТ в живых клетках животных» . Журнал клеточной биологии . 218 (9): 2829–2840. дои : 10.1083/jcb.201904114 . ПМК 6719462 . ПМИД 31340987 .
- ^ Гошима Г., Воллман Р., Гудвин С.С., Чжан Н., Шоли Дж.М., Вейл Р.Д., Стурман Н. (апрель 2007 г.). «Гены, необходимые для сборки митотического веретена в клетках S2 дрозофилы» . Наука . 316 (5823): 417–421. Бибкод : 2007Sci...316..417G . дои : 10.1126/science.1141314 . ПМЦ 2837481 . ПМИД 17412918 .
- ^ Попов А.В., Северин Ф., Карсенти Э. (август 2002 г.). «XMAP215 необходим для зародышеобразования микротрубочек в центросомах» . Современная биология . 12 (15): 1326–1330. Бибкод : 2002CBio...12.1326P . дои : 10.1016/s0960-9822(02)01033-3 . ПМИД 12176362 .
- ^ Бехстедт С., Брухард Г.Дж. (июль 2012 г.). «Даблкортин совместно распознает 13-протофиламентные микротрубочки и отслеживает концы микротрубочек» . Развивающая клетка . 23 (1): 181–192. дои : 10.1016/j.devcel.2012.05.006 . ПМК 3951992 . ПМИД 22727374 .
- ^ Сулименко В., Драберова Е., Драбер П. (2022). «γ-Тубулин в нуклеации микротрубочек и за ее пределами» . Границы клеточной биологии и биологии развития . 10 : 880761. doi : 10.3389/fcell.2022.880761 . ПМЦ 9503634 . ПМИД 36158181 .
- ^ Харен Л., Реми М.Х., Базен И., Каллебо И., Райт М., Мердес А. (февраль 2006 г.). «NEDD1-зависимое рекрутирование комплекса гамма-тубулиновых колец в центросому необходимо для дупликации центриолей и сборки веретена» . Журнал клеточной биологии . 172 (4): 505–515. дои : 10.1083/jcb.200510028 . ПМК 2063671 . ПМИД 16461362 .
- ^ Мэннинг Дж. А., Шалини С., Риск Дж. М., Дэй CL, Кумар С. (март 2010 г.). «Прямое взаимодействие с NEDD1 регулирует поступление гамма-тубулина в центросому» . ПЛОС ОДИН . 5 (3): е9618. Бибкод : 2010PLoSO...5.9618M . дои : 10.1371/journal.pone.0009618 . ПМЦ 2835750 . ПМИД 20224777 .