Ремоделирование актина
актина Ремоделирование — это биохимический процесс, который обеспечивает динамические изменения клеточной организации . Ремоделирование актиновых нитей происходит циклически на поверхности клеток и является фундаментальным аспектом клеточной жизни. В процессе ремоделирования мономеры актина полимеризуются в ответ на сигнальные каскады, возникающие под воздействием сигналов окружающей среды. [ 1 ] клетки Сигнальные пути заставляют актин влиять на внутриклеточную организацию цитоскелета и , как следствие, на клеточную мембрану . Актиновые нити, снова вызванные условиями окружающей среды, снова распадаются на мономеры, и цикл завершается. Актин-связывающие белки (ABP) помогают в трансформации актиновых нитей на протяжении всего процесса ремоделирования актина. [ 1 ] Эти белки отвечают за разнообразную структуру и изменения формы эукариотических клеток. Несмотря на свою сложность, ремоделирование актина может привести к полной реорганизации цитоскелета менее чем за минуту. [ 2 ]
Структурный состав актина
[ редактировать ]
Актин остается одним из наиболее распространенных белков у всех эукарий и представляет собой фермент ( АТФазу ), который постепенно гидролизует АТФ. В эукариотических клетках он существует в двух формах: глобулярной, или G-актин, и нитевидной/нитчатой, или F-актин. Глобулярный актин представляет собой мономерную форму белка, а нитевидный актин представляет собой линейный полимер глобулярных субъединиц. Сборка нитчатого актина возникает в результате слабых нековалентных взаимодействий между G-актином и проявляется в виде двухцепочечного асимметричного спирального полимера. [ 2 ]
Асимметричная природа F-актина обеспечивает различные специфичности связывания на каждом конце. Конец, на котором представлена субъединица актина с открытым сайтом связывания АТФ , обычно обозначается как «(-) конец». Принимая во внимание, что противоположный конец полимера, который имеет щель и не имеет свободного сайта связывания АТФ, называется «(+)-концом». [ 2 ] Кроме того, соответствующие концы актиновых микрофиламентов часто можно определить по их внешнему виду под просвечивающей электронной микроскопией в ходе метода, известного как «декорация», при котором добавление миозина приводит к характерному связыванию актина-миозина на каждом конце. Термины «заостренный конец» и «зазубренный конец» относятся к «(-) концу» и «(+) концу» соответственно. [ 3 ]
Внутри клетки концентрации G-актина и F-актина постоянно колеблются. Сборку и разборку F-актина часто называют «тренингом актина». В этом процессе субъединицы G-актина в первую очередь присоединяются к «колючему концу» нитевидного полимера. Этот конец оказывается как термодинамически более выгодным для добавления G-актина, так и кинетически динамичным. [ 4 ] Одновременно с этим более старые мономеры G-актина «отпадают» с заостренного конца микрофиламента. На «заостренном конце» полимера F-актина мономеры актина связаны с АДФ , который диссоциирует легче и быстрее, чем АТФ-связанный актин, который находится на «колючем конце» полимера. Таким образом, в средах с высокими концентрациями свободных субъединиц актина рост нитей на «колючем конце» остается более интенсивным, чем на «заостренном конце». Эта «беговая дорожка» по сути существует как упрощенное объяснение процесса ремоделирования актина. [ 2 ]
Цикл ремоделирования актина
[ редактировать ]Ремоделирование актина клеточной поверхности (кортикального) представляет собой циклический (9-этапный) процесс, каждый этап которого напрямую зависит от клеточного сигнального механизма. В ходе цикла актин начинается как мономер, удлиняется до полимера с помощью прикрепленных актин-связывающих белков и снова разбирается на мономер, поэтому цикл ремоделирования может начаться снова. [ 1 ] [ 5 ] Динамическая функция ремоделирования актина напрямую коррелирует с огромной изменчивостью формы, структуры и поведения клеток.
Инициация
Состоит из ряда различных возможных механизмов, которые в конечном итоге определяют, где и когда произойдет удлинение актиновых нитей. В механизме, который включает в себя раскрытие зазубренного конца, инициирование контролируется диффузионно -регулируемой полимеризацией актина субъединиц, связанных с белками, секвестрирующими мономер актина. Тимозин и Профилин существуют как белки, секвестрирующие актин-мономер, которые сохраняют способность ограничивать возникновение спонтанной нуклеации , тем самым останавливая процесс ремоделирования актина и возвращая цикл на его первую стадию. [ 6 ] Кроме того, клетка использует полифосфоинозитиды, чтобы помочь удалить все известные белки, закрывающие «колючие концы» . [ 1 ]
Возможные механизмы:
- de novo Нуклеация с помощью комплекса Arp2/3 , форминов и Spire, образующих тример. [ 3 ] [ не удалось пройти проверку ]
- Раскрытие зазубренных концов путем удаления белков, закрывающих зазубренные концы ( CapZ , Hsp70 , EPS8 ) [ 1 ]
- Раскрытие зазубренных концов актин-связывающими белками, которые разрывают актиновые нити. [ 1 ]
Удлинение
Способствуют in vivo промоторы полимеризации и белки, ингибирующие кэпирование зазубренных концов. Фаза элонгации начинается, когда концентрация коротких полимеров F-актина значительно превышает равновесную. [ 7 ] В этот момент к обоим концам присоединяются новые мономеры (хотя в основном на «зазубренном конце»), и актиновые микрофиламенты удлиняются. [ 4 ]
Прекращение действия
Включает в себя деградацию полифосфоинозитидов и реактивацию белков, закрывающих «колючие концы» Hsp70 и CapZ, тем самым повторно инициируя блокирование зазубренных концов и значительно уменьшая удлинение. Несмотря на наличие активных кэпирующих белков, некоторые ингибиторы, включая профилин , формины , ENA и VASP, способствуют удлинению. [ 6 ] Эти ингибиторы могут действовать различными способами, однако большинство из них используют ингибирование деполимеризации субъединиц и актин-деполимеризующих актин-связывающих белков. [ 1 ]
Ветвящееся усиление
Состоит из зарождения новых актиновых микрофиламентов с существующих сторон F-актина. Клетка использует комплекс Arp2/3 для временного связывания с существующими полимерами под углом 70°. Комплекс Arp2/3 затем удлиняется в нитевидную ветвь, которая оказывается необходимой для внутриклеточной реорганизации посредством изменений цитоскелета. [ 8 ] Это изменение в инфраструктуре может изменить форму и поведение клеток и часто используется для транспортировки везикул , патогенов или других родственных структур. [ 1 ]
Сшивание актиновых нитей
Приводит к общей стабилизации сети актиновых филаментов. Клетка использует сшивающие белки разного размера для достижения различных средств стабильности внутри связывающей сети. Относительно небольшие АТФ, такие как скруин, фимбрин и эспин, функционируют за счет отверждения пучков актиновых филаментов. [ 1 ] Более крупные ABP, которые проявляют свойства спирали, такие как функция нитей, способствуют ортогональной организации. В целом, сшивание актина обеспечивает основу, с помощью которой клетка может транспортировать сигнальные промежуточные соединения, необходимые для других этапов цикла ремоделирования актина. [ 3 ]
Сокращение актиновых нитей и движение груза
Представляет способность сети актиновых филаментов реагировать на условия окружающей среды и реагировать посредством различных форм везикул и передачи сигналов. Чаще всего белок миозин существует как «мотор», сопровождающий клеточный «груз» по всей клетке. Миозин, прежде всего Миозин II , также необходим для генерации сократительных сил среди актиновых нитей. [ 1 ]
Мембранное прикрепление к актиновой сети
Прикрепление актин-ортогональной сети к клеточной мембране оказывается важным для передвижения, формы и механических функций клетки. Динамическая природа клетки по-прежнему напрямую связана со способностью сети актин-филаментов реагировать на сократительные силы, возникающие в результате воздействия окружающей среды и внутренних сигналов. [ 4 ]
Разборка актиновой нити
Иммобилизация путем взаимопроникновения актиновых нитей происходит в результате двух различных семейств ABP. Считается, что семейство белков гельзолина наиболее эффективно разрушает актиновые нити и считается «сильным разрывающим белком». Эти белки реагируют на увеличение Ca2+ и закупоривают «колючий конец» недавно отрезанного F-актина. [ 8 ] Повышенный уровень Ca2+ может также дестабилизировать сеть актин-филамент, препятствуя связыванию сшивающих белков. [ 6 ] Семейство белков ADF/ Cofilin также служит для разрушения сетей актин-филамент за счет слабого разрыва актиновых сетей. Эта форма слабого разрезания не закрывает плотно «колючие концы», но позволяет диссоциировать мономеры актина и, таким образом, разбирать F-актин. [ 3 ]
Секвестрация мономеров, предотвращающая спонтанное зародышеобразование
Существует как точка оборота в цикле ремоделирования актина. Белки тимозин и профилин предотвращают спонтанное зарождение новых тримеров актина. Отсутствие или ингибирование этих белков приводит к способности клетки начинать цикл ремоделирования актина и производить удлиненный F-актин. [ 1 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Томас П. Стоссель; Габриэль Фентани; Джон Х. Хартвиг (2006). «Ремоделирование актина клеточной поверхности» (PDF) . Журнал клеточной науки . 119 (Часть 16): 3261–3264. дои : 10.1242/jcs.02994 . ПМИД 16899816 . S2CID 30606964 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 июня 2010 г.
- ^ Jump up to: а б с д Амон; Берк; Бретчер; Кайзер; Кригер; Лодиш; Плоэх; Скотт (2013). Молекулярно-клеточная биология (Седьмое изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 775–815. ISBN 978-1-4292-3413-9 .
- ^ Jump up to: а б с д Бегг, Д.А.; Родевальд, Р; Ребхун, Л.И. (1 декабря 1978 г.). «Визуализация полярности актиновых филаментов на тонких срезах. Доказательства однородной полярности мембран-ассоциированных филаментов» . Журнал клеточной биологии . 79 (3): 846–852. дои : 10.1083/jcb.79.3.846 . ПМК 2110270 . ПМИД 569662 .
- ^ Jump up to: а б с Кун, младший; Поллард, Т.Д. (февраль 2005 г.). «Измерения полимеризации актиновых нитей в реальном времени с помощью флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения» . Биофизический журнал . 88 (2): 1387–1402. Бибкод : 2005BpJ....88.1387K . дои : 10.1529/biophysj.104.047399 . ПМК 1305141 . ПМИД 15556992 .
- ^ Роттнер, Клеменс; Страдал, Терезия Э.Б. (2011). «Динамика актина и изменение подвижности клеток». Современное мнение в области клеточной биологии . 23 (5): 569–578. дои : 10.1016/j.ceb.2011.07.003 . ПМИД 21807492 .
- ^ Jump up to: а б с Николсон-Дикстра, С; Хиггс, HN; Харрис, ЕС (10 мая 2005 г.). «Динамика актина: рост из дендритных ветвей» . Современная биология . 15 (9): Р346–Р357. дои : 10.1016/j.cub.2005.04.029 . ПМИД 15886095 . S2CID 16997184 .
- ^ Роселли, Н; Кастаньино, А; Понтрелли, Дж; Наталини, Р; Баракат, А.И. (июль 2022 г.). «Моделирование АТФ-опосредованного удлинения эндотелиальных клеток по линейным рисункам» . Биомеханика и моделирование в механобиологии . дои : 10.1007/s10237-022-01604-2 . ПМЦ 9626447 . ПМИД 35902488 .
- ^ Jump up to: а б Калват, Массачусетс; Термонд, округ Колумбия (23 августа 2013 г.). «Сигнальные механизмы ремоделирования F-актина, индуцированного глюкозой, в β-клетках островков поджелудочной железы» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 45 (37): е37. дои : 10.1038/emm.2013.73 . ПМЦ 3789261 . ПМИД 23969997 .