Актин

Не путать с актинием .

Актин
Ленточная диаграмма G-Actin. ADP, актина связанный с активным участком (многоцветные палочки вблизи центра рисунка), а также комплексную дикацию кальция (зеленая сфера). Подчеркнут
Идентификаторы
Символ	Актин
Pfam	PF00022
InterPro	IPR004000
PROSITE	PDOC00340
Краткое содержание	2btf / scope / supfam
показывать Доступные белковые структуры: Pfam   structures / ECOD   PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary

Актин представляет собой семейство глобулярных , многофункциональных белков которые образуют микрофиламенты в цитоскелете , и тонкие нити в мышечных фибриллах . Он обнаруживается практически во всех эукариотических клетках , где он может присутствовать в концентрации более 100 мкМ ; Его масса составляет примерно 42 кДа , с диаметром от 4 до 7 нм.

Актиновый белок является мономерной субъединицей двух типов филам в клетках: микрофиламентах , один из трех основных компонентов цитоскелета и тонких филаментов, часть сократительного аппарата в мышечных клетках. Он может присутствовать в виде свободного мономера , называемого G-актином (глобулярный), либо как часть линейного полимерного микрофиламента, называемого F-актина (ниткого), оба из которых необходимы для таких важных клеточных функций, как и сокращение клеток подвижность клеточная деление .

Актин участвует во многих важных клеточных процессах, включая сокращение мышц , подвижность клеток , деление клеток и цитокинез , пузырьков и органелл перемещение , передачу сигналов клеток , а также установление и поддержание клеточных соединений и формы клеток. Многие из этих процессов опосредованы обширным и интимным взаимодействием актина с клеточными мембранами . У позвоночных три основные группы изоформ актина , альфа , бета и гамма были идентифицированы . Альфа -актины, обнаруженные в мышечных тканях, являются основным составляющим сократительного аппарата. Бета и гамма -актины сосуществуют в большинстве типов клеток в качестве компонентов цитоскелета и в качестве медиаторов внутренней клеток мощности . Считается, что разнообразный диапазон структур, образованных актином, позволяющим ему выполнять такой большой диапазон функций, регулируется посредством связывания тропомиозина вдоль филаментов.

Способность ячейки динамически формировать микрофиламенты обеспечивает каркасы, которые позволяют ему быстро реконструировать себя в ответ на окружающую среду или на внутренние сигналы организма , например, увеличить абсорбцию клеточной мембраны или увеличить адгезию клеток с образованием клеточной ткани . Другие ферменты или органеллы , такие как реснички, могут быть прикреплены к этим лесам, чтобы контролировать деформацию внешней клеточной мембраны , которая позволяет эндоцитоз и цитокинез . Он также может создавать движение само по себе или с помощью молекулярных двигателей . Таким образом, актин способствует таким процессам, как внутриклеточный транспорт везикул и органеллов, а также мышечное сокращение и клеточная миграция . Поэтому он играет важную роль в эмбриогенезе , заживлении ран и инвазивности раковых клеток. Эволюционное происхождение актина можно проследить до прокариотических клеток , которые имеют эквивалентные белки. Гомологи актина из прокариот и археи полимеризуются в различные спиральные или линейные филаменты, состоящие из одной или множественных цепей. Однако контакты в цепи и сайты связывания нуклеотидов сохраняются в прокариотах и ​​в археи. Наконец, актин играет важную роль в контроле экспрессии генов .

Большое количество заболеваний и заболеваний вызвано мутациями в аллелях генов , которые регулируют выработку актина или связанных с ним белков. Производство актина также является ключом к процессу инфекции некоторыми патогенными микроорганизмами . Мутации в различных генах, которые регулируют выработку актина у людей, могут вызывать мышечные заболевания , вариации размера и функции сердца , а также глухоты . Состав цитоскелета также связан с патогенностью внутриклеточных бактерий и вирусов , особенно в процессах, связанных с уклонением от действий иммунной системы .

Функция

Основная роль актина в клетке состоит в том, чтобы образовать линейные полимеры, называемые микрофиламентами , которые выполняют различные функции в структуре клетки, сети транспорта, миграции и репликации. Многогранная роль актина зависит от некоторых свойств микрофиламентов: во -первых, образование актиновых филаментов обратимо, и их функция часто включает в себя быструю полимеризацию и деполимеризацию. Во -вторых, микрофиламенты поляризованы - т.е. два конца филамента отличаются друг от друга. В -третьих, актиновые филаменты могут связываться со многими другими белками, которые вместе помогают модифицировать и организовать микрофиламенты для их разнообразных функций.

В большинстве клеток актиновые филаменты образуют более масштабные сети, которые необходимы для многих ключевых функций:

• Актиновые сети обеспечивают механическую поддержку клеткам и обеспечивают маршруты переноса через цитоплазму, чтобы помочь передаче сигнала.
• Быстрая сборка и разборка актиновой сети позволяют клеткам мигрировать ( миграция клеток ).

Актин чрезвычайно распространен в большинстве клеток, составляющий 1–5% от общей массы белка большинства клеток и 10% мышечных клеток.

Актиновый белок обнаруживается как в цитоплазме , так и в ядре клеток . Его местоположение регулируется путями трансдукции сигнала клеточной мембраны , которые интегрируют стимулы, которые ячейка получает, стимулирующую реструктуризацию актиновых сетей в ответ.

Цитоскелет

Флуоресцентная микрофотография, показывающая F-актин (зеленого цвета) в фибробластах крыс

Существует ряд различных типов актина с немного разными структурами и функциями. α-актин обнаруживается исключительно в мышечных волокнах , в то время как β- и γ-актин обнаруживается в других клетках. Поскольку последние типы имеют высокий уровень оборота, большинство из них находятся за пределами постоянных структур. Микрофиламенты, обнаруженные в клетках, кроме мышечных клеток, присутствуют в трех формах:

• Микрофиламентные сети - клетки животных обычно имеют клеточную кору под клеточной мембраной , которая содержит большое количество микрофиламентов, которые исключают присутствие органеллов . Эта сеть связана с многочисленными рецепторами , которые передают сигналы снаружи ячейки.

Объединенная стопка конфокальных изображений, показывающих актиновые филаменты в ячейке. Изображение было кодировано в оси z, чтобы показать на двухмерном изображении, которое филаменты высоты можно найти в ячейках.

• Периодические актиновые кольца - периодическая структура, построенная из равномерно распределенных актиновых колец, обнаружена в аксонах . В этой структуре актиновые кольца вместе со спектриновыми тетрамерами, которые связывают соседние кольца актина, образуют сплоченный цитоскелет , который поддерживает мембрану аксонов. Периодичность структуры может также регулировать ионные каналы натрия в аксонах.

Дрожжи

Цитоскелет актина является ключом к процессам эндоцитоза , цитокинеза , определения полярности клеток и морфогенеза в дрожжах . В дополнение к полаганию на актин, эти процессы включают 20 или 30 связанных белков, которые имеют высокую степень эволюционного сохранения, наряду со многими сигнальными молекулами. Вместе эти элементы позволяют пространственно и временно модулируемому сборке, которая определяет реакцию ячейки как на внутренние, так и на внешние стимулы.

Дрожжи содержат три основных элемента, которые связаны с актином: пятнами, кабелями и кольцами. Несмотря на то, что эти структуры не присутствуют, эти структуры подвергаются динамическому равновесию из -за постоянной полимеризации и деполимеризации. У них есть ряд вспомогательных белков, включая ADF/кофилин, который имеет молекулярную массу 16 кДа и кодируется одним геном, называемым COF1 ; AIP1, кофлиновый кофактор, который способствует разборке микрофиламентов; SRV2/CAP, регулятор процесса, связанный с аденилатциклазы белками ; профилин с молекулярной массой приблизительно 14 кДа, который связан/связан с актиновыми мономерами; и Twinfilin, белок 40 кДа, участвующий в организации участков.

Растения

растений Исследования генома выявили существование белковых изоваринов в семействе генов актина. В рамках Arabidopsis Thaliana , модельного организма , существует десять типов актина, шесть профилинов и десятки миозинов. Это разнообразие объясняется эволюционной необходимостью обладания вариантами, которые немного отличаются по их временному и пространственному выражению. Большинство из этих белков были совместно экспрессированы в анализируемой ткани . Актиновые сети распределяются по всей цитоплазме клеток, которые культивированы in vitro . Существует концентрация сети вокруг ядра, которая подключена через спицы с клеточной корой, эта сеть очень динамична, с непрерывной полимеризацией и деполимеризацией.

Структура С-концевого субдомена Виллина , белка, способного расщеплять микрофиламенты

Несмотря на то, что у большинства растительных клеток есть клеточная стенка , которая определяет их морфологию, их микрофиламенты могут генерировать достаточную силу для достижения ряда клеточных активностей, таких как цитоплазматические токи, генерируемые микрофиламентами и миозином. Актин также участвует в движении органеллов и клеточного морфогенеза, который включает в себя деление клеток, а также удлинение и дифференцировку клетки.

Наиболее заметные белки, связанные с актиновым цитоскелетом в растениях, включают: Villin , который принадлежит к тому же семейству, что и Gelsolin /Severin и способен разрезать микрофиламенты и связывать мономеры актина в присутствии катионов кальция; фимбрин , который способен распознавать и объединять актиновые мономеры и который участвует в формировании сетей (в результате другого процесса регуляции от процесса животных и дрожжей); Форманы , которые способны действовать как зарождающаяся полимеризация F-актина; миозин , типичный молекулярный мотор, специфичный для эукариот и который у Arabidopsis thaliana кодируется 17 генами в двух разных классах; CHUP1, который может связывать актин и участвует в пространственном распределении хлоропластов в клетке; KAM1/MUR3, который определяет морфологию аппарата Гольджи , а также состав ксилоглюканов в клеточной стенке; Ntwlim1, который облегчает появление структур клеток актина; и ERD10, который участвует в ассоциации органеллов в мембранах и микрофиламентах и ​​которая, по -видимому, играет роль, которая участвует в реакции организма на стресс .

Ядерный актин

Ядерный актин был впервые замечен и описан в 1977 году Кларком и Мерриамом. Авторы описывают белок, присутствующий в ядерной фракции, полученный из ооцитов Xenopus laevis , которые показывают те же особенности, что и актин скелетных мышц. С тех пор было много научных отчетов о структуре и функциях актина в ядре (для обзора см.: Hofmann 2009. ) Контролируемый уровень актина в ядре, его взаимодействие с актин-связывающими белками (ABP) и наличие различных изоформ позволяют актину играть важную роль во многих важных ядерных процессах.

Транспорт через ядерную мембрану

Последовательность актина не содержит сигнала ядерной локализации. Небольшой размер актина (около 43 кДа) позволяет ему войти в ядро ​​путем пассивной диффузии. Импорт актина в ядро ​​(вероятно, в комплексе с кофилином) облегчается импортным белком Importin 9.

Низкие уровни актина в ядре, по -видимому, важны, потому что актин имеет два ядерных экспортных сигнала (NES) в своей последовательности. Микроинъектированный актин быстро удаляется из ядра в цитоплазму. Актин экспортируется, по крайней мере, двумя способами, через экспортину 1 и экспорта 6 . Конкретные модификации, такие как сумоилирование, допускают удержание ядерного актина. Мутация, предотвращая сумоилирование, вызывает быстрый экспорт бета -актина из ядра.

Организация

Ядерный актин существует в основном как мономер, но также может образовывать динамические олигомеры и короткие полимеры. Организация ядерного актина варьируется в разных типах клеток. Например, в ооцитах Xenopus (с более высоким уровнем ядерного актина по сравнению с соматическими клетками) актин образует филаменты, которые стабилизируют архитектуру ядра. Эти филаменты можно наблюдать под микроскопом благодаря окрашиванию флуорофором фаллоидином.

Однако в ядрах соматических клеток актиновые филаменты не могут наблюдаться с использованием этой методики. Анализ ингибирования ДНКазы I, единственный тест, который позволяет количественно определять полимеризованный актин непосредственно в биологических образцах, показал, что эндогенный ядерный актин действительно встречается в основном в мономерной форме.

Точно контролируемый уровень актина в клеточном ядре, ниже, чем в цитоплазме, предотвращает образование филаментов. Полимеризация также уменьшается за счет ограниченного доступа к актиновым мономерам, которые связаны в комплексах с ABP, в основном кофилином.

Актиновые изоформы

Различные изоформы актина присутствуют в клеточном ядре. Уровень изоформ актина может измениться в ответ на стимуляцию роста клеток или остановку пролиферации и транскрипционной активности. Исследования по ядерному актину сосредоточены на бета -батах изоформы. Однако использование антител, направленных против различных изоформ актина, позволяет идентифицировать не только цитоплазматическую бета в клеточном ядре, но и альфа-и гамма-актин в определенных типах клеток. Наличие различных изоформ актина может оказать существенное влияние на его функцию в ядерных процессах, поскольку уровень отдельных изоформ может контролироваться независимо.

Функции

Функции актина в ядре связаны с его способностью полимеризировать и взаимодействовать с различными ABP и со структурными элементами ядра. Ядерный актин участвует в:

• Архитектура ядра - взаимодействие актина с альфа -II -спектрином и другими белками важна для поддержания правильной формы ядра.
• Транскрипция - актин участвует в реорганизации хроматина, инициация транскрипции и взаимодействие с комплексом транскрипции. Актин принимает участие в регуляции структуры хроматина, взаимодействие с РНК -полимеразой I, II и iii. В Pol I транскрипции актин и миозин ( MYO1C , который связывает ДНК), действуют как молекулярный мотор . Для транскрипции Pol II β-актин необходим для образования предварительного комплекса. Pol III содержит β-актин в качестве субъединицы. Актитин также может быть компонентом комплексов ремоделирования хроматина, а также частиц Pre-MRNP (то есть предшественника Мессенджер РНК, связанной с белками) и участвует в ядерном экспорте РНК и белков.
• Регуляция активности генов - актин связывается с регуляторными областями различных видов генов. Способность актина регулировать активность генов используется в методе молекулярного перепрограммирования, который позволяет дифференцированным клеткам возвращаться в свое эмбриональное состояние.
• Транслокация активированного фрагмента хромосомы из под мембранной области в эухроматин, где начинается транскрипция. Это движение требует взаимодействия актина и миозина.
• Интеграция различных клеточных компартментов . Актин - это молекула, которая интегрирует пути цитоплазматической и ядерной передачи сигнала. Примером является активация транскрипции в ответ на стимуляцию сыворотки клеток in vitro .
• Иммунный ответ - ядерный актин полимеризуется при стимуляции рецептора Т -клеток и необходим для экспрессии цитокинов и выработки антител in vivo .
• Репарация ДНК - ядерный актин опосредует восстановление двойных разрывов ДНК . В клеточном ядре нитевидное полимер актина (F-актин) действует как в пути репарации ДНК не гомологичного конца соединения, так и на пути гомологичного рекомбинационного восстановления .

Благодаря своей способности преодолевать конформационные изменения и взаимодействие со многими белками, актин действует как регулятор образования и активности белковых комплексов, таких как транскрипционный комплекс.

Движение клеток

Актин также участвует в движении клеток. Сетка актиновых филаментов отмечает передний край движущейся ячейки, а полимеризация новых актиновых филаментов подталкивает клеточную мембрану вперед в выступах, называемых Lamellipodia . Эти мембранные выступы затем прикрепляются к субстрату, образуя структуры, известные как фокальные спайки , которые подключаются к сети актина. После прикрепления задняя часть тела ячейки сокращается, сжимая свое содержимое вперед мимо точки адгезии. Как только точка адгезии перенесена в заднюю часть ячейки, ячейка разбирает ее, позволяя задней клетке двигаться вперед.

Структура сердечного саркомера с актином и миозином

Движение актина/миозина

В дополнение к физической силе, генерируемой актиновой полимеризацией, микрофиламенты способствуют движению различных внутриклеточных компонентов, служа в качестве проезжей части, вдоль которого семейство моторных белков, называемых перемещением миозинов .

Мышечное сокращение

Основная статья: мышечное сокращение

Структура саркомера , основная морфологическая и функциональная единица скелетных мышц, которая содержит актин

Актин играет особенно заметную роль в мышечных клетках, которые в основном состоят из повторных пучков актина и миозина II . Каждое повторное устройство-называемое саркомером -состоит из двух наборов противоположно ориентированных цепей F-актина («тонкие нити»), переплетенные с пучками миозина («толстые нити»). Два набора пряди актина ориентированы на их (+) концы, встроенные в любой конец саркомера в разграничивающие структуры, называемые z-дискими . Миозиновые фибриллы находятся в середине между наборами актиновых филаментов, с нити, обращенными в обоих направлениях. Когда мышцы сокращаются, нити миозина движутся вдоль актиновых филаментов в направлении (+) конца, сталкивая концы саркомера и сокращая его примерно на 70% от его длины. Чтобы двигаться по актиновой нити, миозин должен гидролизовать АТФ; Таким образом, АТФ служит источником энергии для сокращения мышц.

Во времена отдыха белки тропомиозин и тропонин связываются с актиновыми филаментами, предотвращая прикрепление миозина. Когда сигнал активации (то есть потенциал действия ) прибывает на мышечное волокно, он запускает высвобождение CA ²⁺ от саркоплазматического ретикулума в цитозоль. Полученный всплеск в цитозольном кальцие быстро высвобождает тропомиозин и тропонин из актиновой нити, позволяя связывать миозин, и начинается противоречие с мышц.

Клеточная деление

На последних этапах клеточного деления многие ячейки образуют кольцо актина в средней точке клетки. Это кольцо, удачно называемое « сократительным кольцом », использует аналогичный механизм, как мышечные волокна, где миозин II тянет вдоль актинового кольца, заставляя его сжиматься. Это сокращение расщепляет родительскую ячейку на две части, завершая цитокинез . Сократительное кольцо состоит из актина, миозина, аниллина и α-актинина . В делящихся дрожжах Schizosaccharomyces pombe актин активно образуется в сжимающем кольце с участием ARP3 , Formin CDC12, Profilin и WASP , а также предварительно сформированных микрофиламентов. После того, как кольцо было построено, структура поддерживается постоянной сборкой и разборкой, которая, помогая комплекс ARP2/3 и формами, является ключом к одному из центральных процессов цитокинеза.

Внутриклеточная торговля

Пары актина-миозина также могут участвовать в переносе различных мембранных пузырьков и органеллов в клетке. Миозин V активируется путем связывания с различными грузовыми рецепторами на органелле, а затем движется вдоль актиновой нити в сторону (+) конец, тянуя его груз вместе с ним.

Эти нетрадиционные миозины используют гидролиз АТФ для транспортировки груза, такого как везикулы и органелл, в направлении, намного быстрее, чем диффузия. Myosin V идет к колючим концу актиновых филаментов, в то время как миозин VI идет к островам конце. Большинство актиновых филаментов расположены с колючей концом в направлении клеточной мембраны и заостренным концом к клеточной внутренней части. Такое расположение позволяет миозину V быть эффективным двигателем для экспорта автомобилей, а миозин VI - это эффективный двигатель для импорта.

Другие биологические процессы

Duration: 23 seconds.0:23

Флуоресцентная визуализация динамики актина во время первого деления эмбриональных клеток C. elegans . Во -первых, актиновые филаменты собираются в верхней части клетки, что способствует асимметричному делению клеток . Затем, через 10 с, можно наблюдать формирование сократительного актинового кольца.

Традиционный образ функции актина связан с поддержанием цитоскелета и, следовательно, организации и движением органеллов, а также к определению формы клетки. Тем не менее, актин играет более широкую роль в физиологии эукариотических клеток, в дополнение к аналогичным функциям в прокариотах .

• Апоптоз . Во время запрограммированной гибели клеток семейство протеаз ICE/CED-3 (один из протеаз межлейкин-1β-конвертер) разлагает актин в два фрагмента in vivo ; Один из фрагментов - 15 кДа, а другой - 31 кДа. Это представляет собой один из механизмов, участвующих в разрушении жизнеспособности клеток, которые формируют основу апоптоза. Также было показано, что протеазовый кальпаин участвует в этом типе разрушения клеток; Так же, как было показано, что использование ингибиторов кальпаина снижает протеолиз актина и деградацию ДНК (еще один характерный элемент апоптоза). С другой стороны, вызванный стрессом запуск апоптоза вызывает реорганизацию актинового цитоскелета (который также включает его полимеризацию), что приводит к структурам, называемым стрессовыми волокнами ; Это активируется путем киназы карты .

Диаграмма зонулы или плотного соединения, структура, которая соединяет эпителий двух клеток. Актин является одним из якорных элементов, показанных в зеленом.

• Клеточная адгезия и развитие . Адгезия между клетками является характерной для многоклеточных организмов , которые обеспечивают специализацию тканей и, следовательно, увеличивают сложность клеток. Адгезия клеточной эпителии включает в себя актиновый цитоскелет в каждой из соединенных клеток, а также кадгерины, действующие в качестве внеклеточных элементов, с соединением между двумя опосредованными катеенинами . Вмешательство в актиновую динамику имеет последствия для развития организма, на самом деле актин является таким важным элементом, что системы избыточных генов доступны . Например, если ген α-актининового или гелевого фактора был удален у индивидуумов диктиостелия , не показывает аномальный фенотип , возможно, из-за того, что каждый из белков может выполнять функцию другого. развитие двойных мутаций , в которых отсутствует оба типа генов. Тем не менее, затрагивает на
• экспрессии генов Модуляция . Состояние полимеризации актина влияет на паттерн экспрессии генов . В 1997 году было обнаружено, что опосредованная цитокалазин D-опосредованная деполимеризация в клетках Шванна вызывает специфический характер экспрессии для генов, участвующих в миелинизации этого типа нервной клетки . Было показано, что F-актин модифицирует транскриптом на некоторых этапах жизни одноклеточных организмов, таких как гриб- кандида-альбиканы . Кроме того, белки, сходные с актином, играют регуляторную роль во время сперматогенеза у мышей и в дрожжах, как полагают, актиноподобные белки играют роль в регуляции экспрессии генов . Фактически, актин способен действовать в качестве инициатора транскрипции, когда он реагирует с типом ядерного миозина, который взаимодействует с РНК -полимеразами и другими ферментами, участвующими в процессе транскрипции.
• Динамика стереоцилии . Некоторые ячейки развивают мелкие фирменные расстройства на их поверхности, которые имеют механо -енсорную функцию. Например, этот тип органелл присутствует в органе Корти , который расположен в ухе . Основная характеристика этих структур заключается в том, что их длина может быть изменена. Молекулярная архитектура стереоцилии включает в себя паракристаллическое ядро ​​актина в динамическом равновесии с мономерами, присутствующими в соседнем цитозоле. Миозины типа VI и VIIA присутствуют на протяжении всего этого ядра, в то время как миозин XVA присутствует в его конечностях в количествах, которые пропорциональны длине стереоцилии.
• Внутренняя хиральность . Актомиозиновые сети участвуют в создании внутренней хиральности в отдельных клетках. Клетки, выращенные на хиральных поверхностях, могут показывать направленное левое/правое смещение, которое зависит от актомиозина.

Структура

Диаграмма ленты актинового мономера из кроличьей скелетной мышцы, с поверхностью молекулы показана полупрозрачная. Четыре поддомена, а также связанные АТФ и ион кальция аннотированы.

Мономерный актин, или G-актин, имеет глобулярную структуру, состоящую из двух дол, разделенных глубокой расщелиной. Дно расщелины представляет собой «складку АТФазы», ​​структуру, консервированную среди АТФ и GTP-связывающих белков, которая связывается с ионом магния и молекулой АТФ. Связывание АТФ или АДП необходимо для стабилизации каждого актинового мономера; Без одной из этих молекул актин быстро становится денатурированным .

Рентгеновская кристаллографическая модель актина, которая была продуцирована Кабшем из полосатой мышечной ткани кроликов была , наиболее часто используется в структурных исследованиях, поскольку она была первой, которая очищена . G-Actin, кристаллизованный Kabsch, приблизительно 67 x 40 x 37 Å составляет , имеет молекулярную массу 41 785 DA и предполагаемую изоэлектрическую точку 4,8. Его чистый заряд при pH = 7 составляет -7.

Первичная структура

Elzinga и коллеги сначала определили полную пептидную последовательность для этого типа актина в 1973 году, причем более поздняя работа того же автора добавила к модели дополнительные детали. Он содержит 374 аминокислотных остатков. Его N-конец очень кислый и начинается с в аспартата аминогруппе. В то время как его С-конце является щелочным и образуется фенилаланином, которому предшествовал цистеин , который имеет определенную степень функционального значения. Обе крайности находятся в непосредственной близости в I-субдомене. Аномальный n ^Т -Метелхистидин расположен в позиции 73.

Третичная структура - домены

Третичная структура образуется двумя доменами, известными как большие и малые, которые разделены расщелиной, сосредоточенной вокруг расположения связи с АТФ - ADP + P _i . Ниже это более глубокая выемка, называемая «канавкой». В родном состоянии , несмотря на их имена, оба имеют сопоставимую глубину.

Нормальное соглашение в топологических исследованиях означает, что белок показан с самой большой доменом на левой стороне и наименьшим доменом с правой стороны. В этом положении меньший домен, в свою очередь, разделен на два: поддомен I (нижнее положение, остатки 1–32, 70–144 и 338–374) и поддомен II (верхняя позиция, остатки 33–69). Большая домен также делится на два: поддомен III (нижний, остатки 145–180 и 270–337) и поддомен IV (выше, остатки 181–269). Разоблаченные участки поддоменов I и III называются «колючей» заканчиваются, в то время как открытые области доменов II и IV называются «заостренными» концами. Эта номенклатура относится к тому факту, что из -за небольшой массы субдомена II актин полярно; Важность этого будет обсуждаться ниже в обсуждении динамики сборки. Некоторые авторы называют субдомены IA, IB, IIA и IIB соответственно.

Другие важные структуры

Наиболее заметной супер-классовой структурой является пять цепных бета-листов , который состоит из β-среднего и β-β-β-единицы по часовой стрелке. Он присутствует в обоих доменах, предполагая, что белок возник из дупликации генов.

• Сайт связывания нуклеотидов аденозина расположен между двумя конструкциями в форме бета -шпильки, относящихся к доменам I и III. Остатки, которые вовлечены, являются ASP11-LYS18 и ASP154-HIS161 соответственно.
• Двалентный сайт связывания катионов расположен чуть ниже, чтобы для аденозинового нуклеотида. In vivo это чаще всего образуется MG ²⁺ или ​ ²⁺ В то время как in vitro это образуется хелатирующей структурой, состоящей из Lys18 и двух оксигенов нуклеотида из α-и β- фосфатов . Этот кальций координируется с шестью молекулами воды, которые сохраняются аминокислотами ASP11 , ASP154 и GLN137 . Они образуют комплекс с нуклеотидом, который ограничивает движения так называемой области «шарнир», расположенной между остатками 137 и 144. Это сохраняет нативную форму белка до тех пор, пока его отмену денаюры актинового мономера. Эта область также важна, потому что он определяет, находится ли расщелина белка в «открытой» или «закрытой» конформации.
• Весьма вероятно, что существует как минимум три других центра с меньшим сродством (промежуточным) и третьими с низким сродством к двухвалентным катионам. Было высказано предположение, что эти центры могут играть роль в полимеризации актина, действуя на стадии активации.
• В поддомене 2 существует структура, которая называется «D-петли», потому что она связывает ДНКазу I , она расположена между остатками HIS40 и GLY48 . Он имеет появление беспорядочного элемента в большинстве кристаллов, но он выглядит как β-лист, когда он комплекс с ДНКазой I. Предположено, что ключевым событием в полимеризации, вероятно, является распространение конформационного изменения из Центр связи с нуклеотидом с этим доменом, который меняется от петли на спираль. Однако эта гипотеза была опровергнута другими исследованиями.

F-Actin

F-Actin; Поверхностное представление повторения 13 субъединиц на основе модели актиновой нити Кена Холмса

В различных условиях молекулы G-актина полимеризуются в более длинные нити, называемые «нитими, или« f-Actin ». Эти F-актиновые нити обычно состоят из двух спиральных цепей актина, наводненных вокруг друг друга, образуя ширину от 7 до 9 нанометра , которая повторяется каждые 72 нанометров (или каждые 14 субъединиц G-актина). В нитях F-актина все молекулы G-актина ориентированы в одном и том же направлении. Два конца нити F-актина отличаются друг от друга. На одном конце-обозначен, конец (-)-АТФ-связывающая расщелина терминальной молекулы актина сталкивается наружу. На противоположном конце-назначено (+)-АТФ-связывающая расщелина похоронена в филаменте, контактируя с соседней молекулой актина. По мере роста F-актиновых нитей новые молекулы имеют тенденцию соединяться на (+) конце существующей прядь F-актина. И наоборот, нити имеют тенденцию к сокращению, выбросив мономеры актина с конца ( -).

Некоторые белки, такие как кофилин , по -видимому, увеличивают угол поворота, но опять же это можно интерпретировать как установление различных структурных состояний. Это может быть важно в процессе полимеризации.

Согласно измерениям радиуса поворота и толщины накаливания меньше: в то время как первые модели присваивали длину 25 Å, текущие рентгеновские дифракционные данные, подкрепленные криоэлектронной микроскопией, предполагают длину 23,7 Å. Эти исследования показали точные точки контакта между мономерами. Некоторые из них образуются с единицами одной и той же цепи, между «колючей» конец на одном мономере и «острым» конец следующего. В то время как мономеры в соседних цепях вступают в боковой контакт через проекции из поддомена IV, причем наиболее важными проекциями являются те, которые образованы С-концевой и гидрофобной связью, образованными тремя телами, включающими остатки 39–42, 201–203 и 286. Модель предполагает, что нить образуется мономерами в формировании «листа», в которой субдомены обращаются вокруг себя, эта форма также обнаруживается в бактериальном актиновом гомологе Mreb .

Термины «заостренные» и «колючие», относящиеся к двум концам микрофиламентов, вытекают из их появления при просвечивающей электронной микроскопии , когда образцы исследуются с помощью метода подготовки, называемого «украшения». Этот метод состоит из добавления фрагментов миозина S1 в ткани, которые были зафиксированы с помощью дубильной кислоты . Этот миозин образует полярные связи с актиновыми мономерами, что приводит к конфигурации, которая выглядит как стрелки с перьями вдоль его вала, где вал - это актин, а Fletchings - миозин. Следуя этой логике, конец микрофиламента, который не имеет какого -либо выступающего миозина, называется точкой стрелки ( - Энд), а другой конец называется колючей конец (+ конец). Фрагмент S1 состоит из доменов головы и шеи миозина II . В физиологических условиях G-актин ( мономерная форма) трансформируется в F-актин ( полимерная форма) с помощью АТФ, где важна роль АТФ.

Спиральная F-актиновая нить, обнаруженная в мышцах, также содержит молекулу тропомиозина , которая представляет собой белок длиной 40 нанометра , который обернут вокруг спирали F-Actin. Во время фазы покоя тропомиозин охватывает активные участки актина, так что взаимодействие актино-иозин не может происходить и создавать мышечное сокращение. Существуют другие белковые молекулы, связанные с нитью тропомиозина, это тропонины , которые имеют три полимера: тропонин I , тропонин T и тропонин c .

F-Actin является одновременно сильным и динамичным. В отличие от других полимеров , таких как ДНК , составные элементы, связанные с ковалентными связями , мономеры актиновых филаментов собираются более слабыми связями. Боковые связи с соседними мономерами разрешают эту аномалию, которая теоретически должна ослабить структуру, поскольку они могут быть нарушены тепловой перемешиванием. Кроме того, слабые связи дают преимущество, что концы филамента могут легко высвободить или включать мономеры. Это означает, что филаменты могут быть быстро реконструированы и могут изменять клеточную структуру в ответ на стимул окружающей среды. Который, наряду с биохимическим механизмом, с помощью которого он вызван, известен как «динамика сборки».

Складывание

Модель ленты, полученная с использованием программы Pymol на кристаллографах ( PDB : 2ZDI ) белков до подключения, обнаруженных в архейском пирококке Horikoshii . Шесть супер -классных структур присутствуют в спиральной спирали «висящей» из центральных бета -бочек . Они часто сравниваются в литературе щупальцами медузы . с Что касается видно с использованием электронной микроскопии , эукариотику преподжина имеет аналогичную структуру.

Актин может спонтанно приобретать большую часть своей третичной структуры . Однако то, как он получает свою полностью функциональную форму от своей недавно синтезированной нативной формы, является особенным и почти уникальным в химии белка. Причиной этого особого маршрута может быть необходимость избежать наличия неправильно сложенных актиновых мономеров, которые могут быть токсичными, поскольку они могут действовать как неэффективные терминаторы полимеризации. Тем не менее, это является ключом к установлению стабильности цитоскелета, и, кроме того, это важный процесс для координации клеточного цикла .

CCT требуется, чтобы убедиться, что складывание происходит правильно. CCT является шаперонином группы II, большого белкового комплекса, который помогает в складывании других белков. CCT образуется из двойного кольца из восьми различных субъединиц (гетерооктамерных), и он отличается от шаперонинов I группы, таких как Groel , который встречается в Eubacteria и у эукариотических органелле, поскольку он не требует со-чаперона, чтобы действовать как крышка над центральной каталитической полостью. Субстраты связываются с CCT через определенные домены. Первоначально считалось, что он связан только с актином и тубулином , хотя недавние исследования иммунопреципитации показали, что он взаимодействует с большим количеством полипептидов , которые, возможно, функционируют как субстраты . Он действует через АТФ-зависимые конформационные изменения, которые иногда требуют нескольких раундов освобождения и катализа, чтобы завершить реакцию.

Чтобы успешно завершить их складывание, как актин, так и тубулин должны взаимодействовать с другим белком, называемым Prefoldin молекулы , который является гетерогексамерным комплексом (образованным шестью различными субъединицами), во взаимодействии, которое настолько специфична, что Полем Актиновые комплексы с префрогом, в то время как он все еще формируется, когда длиной около 145 аминокислот , в частности, на N-конце.

Различные подзадушки распознавания используются для актина или тубулина, хотя есть некоторое совпадение. В актине субъединицы, которые связываются с префрофином, вероятно, являются PFD3 и PFD4, которые связываются в двух местах между остатками 60–79, а другой - между остатками 170–198. Актин распознается, загружается и доставляется в цитозольный шаперонин (CCT) в открытой конформации внутренним концом «щупальц» Prefoldin (см. Изображение и Примечание). Контакт при доставке актина настолько кратко, что третичный комплекс не образуется, что сразу же освобождает дофото.

Ленточная модель апикального γ-домена Чаперонина CCCT

Затем CCT вызывает последовательное складывание актина, образуя связи с его субъединицами, а не просто окладывая его в его полость. Вот почему он обладает конкретными областями распознавания в своем апикальном β-домене. Первый этап в складывании состоит из распознавания остатков 245–249. Затем другие детерминанты устанавливают контакт. И актин, и тубулин связываются с CCT в открытых конформациях в отсутствие АТФ. В случае актина две субъединицы связаны во время каждого конформационного изменения, тогда как для связывания тубулина происходит с четырьмя субъединицами. Актитин имеет специфические последовательности связывания, которые взаимодействуют с субъединицей Δ и β-CCT или с Δ-CCT и ε-CCT. После того, как AMP-PNP обязан для CCT, подложки движутся в полости шаперонина. Также кажется, что в случае актина белок CAP требуется в качестве возможного кофактора в последних состояниях складывания актина.

Точный способ регулируется этот процесс, до сих пор не до конца понят, но известно, что белок PHLP3 (белок, сходное с фосдуцином ), ингибирует его активность посредством образования третичного комплекса.

Каталитический механизм АТФазы

Актин является АТФазой , что означает, что это фермент , который гидролизует АТФ. Эта группа ферментов характеризуется их медленной скоростью реакции. Известно, что эта АТФаза «активна», то есть его скорость увеличивается примерно на 40 000 раз, когда актин содержит часть филамента. Справочное значение для этой скорости гидролиза в идеальных условиях составляет около 0,3 с. ⁻¹ Полем Затем P _I остается связанным с актином рядом с ADP в течение долгого времени, пока он не будет совместно освобожден от внутренней части нити.

Точные молекулярные детали каталитического механизма до сих пор не до конца понятны. Хотя в этом вопросе много споров, кажется, что для гидролиза АТФ требуется «закрытая» конформация, и считается, что остатки, которые участвуют в процессе, перемещаются на соответствующее расстояние. Глютаминовая кислота Glu137 является одним из ключевых остатков, который расположен в поддомене 1. Его функция заключается в связывании молекулы воды, которая вызывает нуклеофильную атаку АТФ на γ-фосфатном связке , в то время как нуклеотид . Весьма вероятно, что конформационное изменение, вызванное вращением доменов между формами G и F, приближает Glu137, позволяя его гидролизу. Эта модель предполагает, что полимеризация и функция АТФазы будут развязаны сразу же. «Открытое» в «закрытое» преобразование между формами G и F и его последствиями для относительного движения нескольких ключевых остатков и образования водных проводов были охарактеризованы при молекулярной динамике и моделировании QM/MM .

Динамика сборки

Образование микрофиламентов, показывающее механизм полимеризации для преобразования G-актина в F-актин; Обратите внимание на гидролиз АТФ.

Актинские филаменты часто быстро собираются и разбираются, что позволяет им генерировать силу и поддерживать движение ячеек. Сборка классически происходит в трех этапах. Во-первых, «фаза нуклеации», в которой от двух до трех молекул G-актина медленно соединяются, образуя небольшого олигомера, который зародит дальнейший рост. Во -вторых, «фаза удлинения», когда актиновая нить быстро растет путем добавления многих молекул актина к обоим концам. По мере роста нити, молекулы актина добавляются в (+) конец нити накаливания примерно в 10 раз быстрее, чем к конец ( -), и поэтому нити имеют тенденцию в первую очередь растут на конце (+). В-третьих, «стационарная фаза», где равноправное равноправное, когда молекулы актина соединяются и оставляют нити с той же скоростью, поддерживая длину филамента. В то время как длина нити остается постоянной в стационарной фазе, новые молекулы постоянно добавляются к (+) конец и падают с (-) конца, явление, называемое «беговой межсвязкой», как может быть, молекула актина, по-видимому, движется в прядь. В изоляции, будет ли нить расти или сжиматься, и как быстро определяются концентрацией G-актина вокруг нити; Однако в клетках динамика актиновых филаментов сильно влияет различные актин-связывающие белки .

Актин -связывающие белки

Актиновый цитоскелет in vivo не состоит исключительно из актина, другие белки необходимы для его образования, продолжения и функции. Эти белки называются актин-связывающими белками и участвуют в полимеризации, деполимеризации, стабильности и организации актина. Разнообразие этих белков таково, что актин считается белком, который принимает участие в наибольшем количестве белковых взаимодействий .

Атомная структура ARP2/3. Каждый цвет соответствует субъединице: ARP3, Orange; ARP2, морской синий (субъединицы 1 и 2 не показаны); P40, зеленый; P34, светло -голубой; P20, темно -синий; P21, пурпурный; P16, желтый.

Зарождению новых актиновых филаментов- ограничивающей скорости стадии полимеризации актина-помогает актино-нуклеатирующие белки, такие как форманы (например, форман-2 ) и комплекс ARP2/3 . Форманы помогают зародить длинные актиновые филаменты. Они связывают две свободные молекулы актина-ATP, объединяя их. Затем, когда нить начинает расти, форман движется вдоль (+) конца растущей нити, все время рекрутируя актин-связывающие белки, которые способствуют росту филаментов, и исключая белки, которые блокируют расширение нити. Ветви в актиновых филаментах обычно зародываются комплексом ARP2/3 совместно с факторами, способствующими развитию нуклеации . Факторы, способствующие развитию нуклеации, связывают две свободные молекулы G-актина, затем рекрутируют и активируют комплекс ARP2/3. Комплекс активированного ARP2/3 прикрепляется к существующей актиновой нити и использует две связанные молекулы G-актина, чтобы зародить новую актиновую нить, разветвленную со старой под углом 70 °.

Актитин (зеленый) - комплекс профилин (синий). Показанный профилин принадлежит группе II, обычно присутствующей в почках и мозге .

По мере роста филаментов пул доступных молекул G-актина управляется G-актин-связывающими белками, такими как профилин и тимозин β-4 . Профилин обеспечивает поставку доступного актина-ATP путем связывания с ADP-связанным G-актином и способствуя обмену ADP на ATP. Связывание Profilin с молекулой актина физически блокирует свое дополнение к концу ( -) филамента, но позволяет ему присоединиться к конец (+). Как только актин-ATP присоединился к нити, профилин выпускает его. Поскольку формины способствуют зарождению и расширению новых актиновых филаментов, они набирают профилин в область, увеличивая локальную концентрацию актина-ATP для повышения роста филаментов. Напротив, тимозин β-4 связывает и секвестрирует актин-АТФ, предотвращая его соединение с микрофиламентом.

Как только актиновое волокно установлено, динамика его роста или коллапса подвержена влиянию многочисленных белков. Существующие пряди могут быть прерваны белками, расщепляющими нити, такие как кофилин и гельсолин . Кофилин связывается вдоль двух молекул актина-ADP в филаменте, заставляя движение, которое дестабилизирует филаментацию и заставляет его ломаться. Гельсолиновый вводит себя между молекулами актина в филаменте, нарушая нить. После разрыва нити Гельсолинь остается прикрепленным к новому (+) конец, предотвращая его растущее, тем самым вынуждая его разборку.

Белок гельсолин , который является ключевым регулятором в сборке и разборке актина.

Другие белки связываются с концами актиновых филаментов, стабилизируя их. Они называются «покрытыми белками» и включают в себя капц и тропомодулин . CAPZ связывает (+) конец нити, предотвращая дальнейшее добавление или потерю актина с этой цели. Тропомодулин связывается с концом ( -) филамента, снова предотвращая добавление или потерю молекул на этой цели. Тропомодулин обычно обнаруживается в клетках, которые требуют чрезвычайно стабильных актиновых филаментов, таких как в мышцах и эритроцитах.

Эти актин -связывающие белки обычно регулируются различными клеточными сигналами для контроля динамики сборки актина в различных клеточных местах. Форманы, например, обычно сложены в неактивной конформации до тех пор, пока они активируются связыванием небольшого GTPase Rho . Разветвление актина в клеточной мембране важно для движения клеток, и поэтому плазматическая мембрана липид PIP ₂ активирует нуклеацию, способствующее фактору, способствуя WASP и ингибирует CAPZ. WASP также активируется небольшой GTPase CDC42 , в то время как еще одна волна, способствующего фактору, способствуя нуклеации, активируется GTPase RAC1 .

Генетика

Основные взаимодействия структурных белков находятся в соединении прилипания на основе кадгерина . Актиновые филаменты связаны с α- актинином и с мембраной через винкулин . Головной домен винкулина ассоциируется с E-кадгерином через α-катенин , β-катенин и γ-катенин . Хвостовой домен винкулина связывается с мембранными липидами и с актиновыми филаментами.

Хотя большинство дрожжей имеют только один ген актина, более высокие эукариоты , в целом экспрессируют несколько изоформ актина, кодируемых семейством родственных генов. У млекопитающих есть как минимум шесть изоформ актина, закодированные отдельными генами, которые разделены на три класса - альфа, бета и гамма - в соответствии с их изоэлектрическими точками . В целом, альфа-актины обнаружены в мышцах ( α-коркелет , α-аортальный гладкий , α-кардиак ), тогда как изоформы бета и гамма заметны в некмысленных клетках ( β-цитоплазматический, γ1-цитоплазматический, γ2-инвентарный гладкий) гладкий)) (β-цитоплазматический , γ1-цитоплазматический , γ2-инвентарный )) Полем Хотя аминокислотные последовательности и свойства in vitro изоформ очень похожи, эти изоформы не могут полностью заменить друг друга in vivo . Растения содержат более 60 актиновых генов и псевдогенов .

Типичный ген актина имеет приблизительно 100-нуклеотид 5 'UTR площадь 1200 нуклеотидов , переведенную и 200-нуко -леотид 3' UTR . Большинство генов актина прерываются интронами , и в любом из 19 хорошо охарактеризованных мест до шести интронов. Высокое сохранение семьи делает актин предпочтительной моделью для исследований, сравнивающих интронс-ра-ранние и интронские модели эволюции интрона.

Эволюция

Актин и тесно связанные белки присутствуют во всех организмах, что позволяет предположить, что общий предок всей жизни на земле имел актин. Актин является одним из самых консервативных белков на протяжении всей эволюции эукариот. Последовательности актиновых белков от животных и амебы идентичны на 80%, несмотря на то, что они разделены примерно на один миллиард лет эволюции. Многие одноклеточные эукариоты имеют единый ген актина, в то время как многоклеточные эукариоты часто имеют несколько тесно связанных генов, которые выполняют специализированные функции. У людей шесть; Растения имеют 10 или более. В дополнение к актину, у эукариот есть большое семейство связанных с актином белков, или «ARP», которые имеют общего предка с актином и называются ARP1-ARP11, а ARP1 наиболее тесно связан с актином, а ARP11-наименьшим.

Бактерии кодируют три типа актина: MREB влияет на форму клеток, деление клеток FTSA и разделение PARM крупных плазмид . У некоторых археи есть ген Mreb, похожий на бактерии, в то время как у других есть ген актина, который более похож на эукариоте-актин.

Эукариотический цитоскелет организмов среди всех таксономических групп имеет сходные компоненты для актина и тубулина. Например, белок, который кодируется геном ACTG2 у людей, полностью эквивалентен гомологам , присутствующим у крыс и мышей, хотя на уровне нуклеотидов сходство уменьшается до 92%. Тем не менее, существуют серьезные различия с эквивалентами в прокариотах ( FTSZ и MREB ), где сходство между нуклеотидными последовательностями составляет от 40 до 50% среди различных бактерий и видов археи . Некоторые авторы предполагают, что наследственный белок, который дал модель эукариотического актина, напоминает белки, присутствующие в современных бактериальных цитоскелетах.

Структура MREB , бактериального белка, чья трехмерная структура напоминает структуру G-актина

Некоторые авторы указывают, что поведение актина, тубулина и гистона , белка, участвующего в стабилизации и регуляции ДНК, сходны по своей способности связывать нуклеотиды и в их способности воспользоваться движением Браун . Также было высказано предположение, что у всех них есть общий предок. Следовательно, эволюционные процессы привели к диверсификации наследственных белков в разновидности, присутствующие сегодня, сохранив, среди прочего, актины как эффективные молекулы, которые могли справиться с важными биологическими процессами предков, таких как эндоцитоз .

Комплекс ARP2/3 широко встречается во всех эукариотических организмах.

Эквиваленты у прокариотов

Бактериальный цитоскелет содержит белки, которые очень похожи на актиновые мономеры и полимеры. Бактериальный белок Mreb полимеризуется в тонкие негелические нити и иногда в спиральные структуры, сходные с F-актином. Кроме того, его кристаллическая структура очень похожа на структуру G-актина (с точки зрения его трехмерной конформации), существует даже сходство между протофиламентами MREB и F-актином. Бактериальный цитоскелет также содержит белки FTSZ , которые похожи на тубулин .

Таким образом, бактерии обладают цитоскелетом с гомологичными элементами для актина (например, MREB, ALFA, PARM , FTSA и MAMK), хотя аминокислотная последовательность этих белков расходится из той, которая присутствует в клетках животных. Однако такие белки имеют высокую степень структурного сходства с эукариотическим актином. Высоко динамические микрофиламенты, образованные агрегацией MREB и PARM, необходимы для жизнеспособности клеток, и они участвуют в морфогенезе клеток, сегрегации хромосом и полярности клеток. PARM - это актиновый гомолог, который кодируется в плазмиде и участвует в регуляции плазмидной ДНК. Пармы из разных бактериальных плазмид могут образовывать удивительно разнообразные спиральные структуры, включающие две или четыре пряди, чтобы поддерживать верную плазмиду наследование.

В археи гомолог TA0583 еще больше похож на эукариотические актины.

Молекулярная патология

Большинство млекопитающих обладают шестью различными генами актина . Из них два кода для цитоскелета ( ACTB и ACTG1 ), в то время как остальные четыре участвуют в мышцах с полосатой скелета ( ACTA1 ), ткани гладких мышц ( ACTA2 ), кишечника мышцах ( ACTG2 ) и сердца ( ACTC1 ). Актин в цитоскелете участвует в патогенных механизмах многих инфекционных агентов , включая ВИЧ . Подавляющее большинство мутаций , которые влияют на актин, являются точечными мутациями, которые оказывают доминирующий эффект , за исключением шести мутаций, связанных с немалиновой миопатией . Это связано с тем, что во многих случаях мутант актинового мономера действует как «кепка», предотвращая удлинение F-актина.

Патология, связанная с Acta1

Acta1- это ген, который кодирует α- изоформу актина, которая преобладает в мышцах с скелетными скелетами человека , хотя он также экспрессируется в сердечных мышцах и в щитовидной железе . Его последовательность ДНК состоит из семи экзонов , которые производят пять известных транскриптов . Большинство из них состоят из точечных мутаций, вызывающих замещение аминокислот . Мутации во многих случаях связаны с фенотипом , который определяет тяжесть и курс страданий.

Гигантские немалитные стержни, продуцируемые трансфекцией последовательности ДНК Acta1 , которая является носителем мутации, ответственной за немалинную миопатию

Мутация изменяет структуру и функцию скелетных мышц, продуцирующих одну из трех форм миопатии : немалиновая миопатия типа 3 , врожденная миопатия с избытком тонких миофиламентов (см) и врожденной миопатией с диспропорцией типа волокна (CMFTD). Также были обнаружены мутации, которые дают основные миопатии . Хотя их фенотипы похожи, в дополнение к типичной немалинской миопатии, некоторые специалисты различают другой тип миопатии, называемый актинической немалиновой миопатией. В первом, скопления актиновой формы вместо типичных стержней. Важно сказать, что пациент может показать более одного из этих фенотипов в биопсии . Наиболее распространенные симптомы состоят из типичной морфологии лица (миопатическая фация ), мышечной слабости, задержки в моторном развитии и трудностях дыхания. Также обнаружены курс болезни, ее гравитации и возраста, в котором, по -видимому, все являются переменными и перекрывающимися формами миопатии. Симптом немалитной миопатии заключается в том, что «немалитные стержни» появляются в разных местах в мышечных волокнах 1 типа. Эти стержни представляют собой не патогномонические структуры, которые имеют сходную композицию с дисками z, обнаруженными в саркоме .

Патогенез . этой миопатии очень разнообразен Многие мутации происходят в области углубления актина вблизи его сайтов связывания нуклеотидов , в то время как другие встречаются в домене 2 или в областях, где взаимодействие происходит с связанными белками. Это идет некоторым способом объяснить большое разнообразие скоплений, которые образуются в этих случаях, таких как немалитные или внутриядерные тела или тела зебры. актина Изменения в складывании происходят при немалинской миопатии, а также изменениях в его агрегации, а также существуют изменения в экспрессии других связанных белков. В некоторых вариантах, где внутриядерные тела обнаруживаются, изменения в складывании маскируют сигнал экспорта белка ядра , так что накопление мутированной формы актина происходит в ядре клеток . С другой стороны, кажется, что мутации к Acta1 , которые приводят к CFTDM, оказывают большее влияние на саркомерную функцию, чем на его структуру. Недавние исследования попытались понять этот очевидный парадокс, который предполагает, что нет четкой корреляции между количеством стержней и мышечной слабостью. Похоже, что некоторые мутации способны вызывать большую скорость апоптоза в мышечных волокнах типа II.

Позиция семи мутаций, имеющих отношение к различным актинопатиям, связанным с ACTA1

В гладких мышцах

Есть две изоформы, которые кодируют актины в ткани гладких мышц :

ACTG2 кодирует для крупнейшей изоформы актина, которая имеет девять экзонов , одна из которых, которая находится на 5 -дюймовом конце, не переведена . Это γ-актин, который экспрессируется в кишечной гладкой мышце. Не было обнаружено никаких мутаций этого гена, которые соответствуют патологии, хотя микрочипы показали, что этот белок чаще экспрессируется в случаях, которые устойчивы к химиотерапии с использованием цисплатина .

ACTA2 кодирует для α-актина, расположенного в гладких мышцах, а также в гладких мышцах сосудов. Было отмечено, что мутация MYH11 может быть ответственной по меньшей мере за 14% наследственных аневризмов торакальной аорты, особенно типа 6. Это связано с тем, что мутированный вариант вызывает неправильную нити и сниженную способность к сокращению сосудистых гладких мышц. Университет аорты была зарегистрирована у этих людей, с областями дезорганизации и гиперплазии, а также стенозом аорты Vasa Vasorum . Количество страданий, в которые причастна ген, увеличивается. Это было связано с заболеванием Мойамуи , и кажется вероятным, что определенные мутации в гетерозигозе могут придать предрасположенность многим сосудистым патологиям, таким как аневризма грудной аорты и ишемическая болезнь сердца . Α-актин, обнаруженный в гладких мышцах, также является интересным маркером для оценки прогресса цирроза печени .

В сердечных мышцах

Ген ACTC1 кодирует изоформу α-актина, присутствующая в сердечных мышцах. Впервые он был секвенирован Хамадой и коллегами в 1982 году, когда было обнаружено, что он прерывается пятью интронами. Это был первый из шести генов, где были обнаружены аллели, которые были вовлечены в патологические процессы.

Поперечное сечение крысы сердца , которое показывает признаки дилатационной кардиомиопатии

Был описан ряд структурных расстройств, связанных с точечными мутациями этого гена, которые вызывают неисправность сердца, такие как дилатационная кардиомиопатия типа 1R и гипертрофическая кардиомиопатия типа 11 . некоторые дефекты предсердной перегородки , которые также могут быть связаны с этими мутациями. Недавно были описаны

Были изучены два случая дилатационной кардиомиопатии с заменой высококонсервативных аминокислот, принадлежащих к белковым доменам которые связывают и впрыскивают с дисками Z. , Это привело к теории о том, что дилатация порождается дефектом в передаче сократительной силы в миоцитах .

Мутации в ACTC1 ответственны как минимум 5% гипертрофических кардиомиопатий. Существование ряда точечных мутаций также было найдено:

• Мутация E101K: Изменения чистого заряда и образование слабой электростатической связи в сайте связывания актомиозин.
• P166A: зона взаимодействия между актиновыми мономерами.
• A333P: зона взаимодействия актина-с-сед.

Патогенез, по -видимому, включает в себя компенсаторный механизм: мутированные белки действуют как токсины с доминирующим эффектом, снижая способность сердца сокращаться, вызывая аномальное механическое поведение, так что гипертрофия, которая обычно задерживается, является следствием нормального ответа мышцы сердца на стресс на стресс на стресс на стресс на стресс на стресс на стресс. Полем

Недавние исследования обнаружили мутации ACTC1, которые участвуют в двух других патологических процессах: инфантильная идиопатическая ограничительная кардиомиопатия , и некомпакция миокарда левого желудочка .

В цитоплазматических актинах

ACTB - очень сложный локус . Существует ряд псевдогенов , которые распределены по всему геному , и его последовательность содержит шесть экзонов, которые могут привести к 21 различным транскрипциям альтернативным сплайсингом , которые известны как β-актины. В соответствии с этой сложностью, его продукты также обнаружены в ряде мест, и они составляют часть широкого спектра процессов ( цитоскелет , гистон комплекс -ацилтрансферазы Nua4, ядро ​​клеток ), и, кроме того, они связаны с механизмами большого числа патологических процессов ( карциномы , ювенильная дистония , механизмы инфекции, пороки развития нервной системы и инвазия опухоли, среди прочего). Была обнаружена новая форма актина, каппа актин, который, по-видимому, заменяет β-актин в процессах, связанных с опухолями .

Изображение, снятое с использованием конфокальной микроскопии , и использование конкретных антител, показывающих корковую сеть актина. Точно так же, как в ювенильной дистонии существует прерывание в структурах цитоскелета , в данном случае он продуцируется D. цитохалазином

До сих пор были обнаружены три патологических процесса, которые вызваны прямым изменением в последовательности генов:

• Гемангиоперицитома с t (7; 12) (p22; Q13) -трансликации являются редким заболеванием, в котором трансационная мутация вызывает слияние гена ActB по сравнению с глизом в хромосоме 12 .
• Ювенильная начала дистония является редким дегенеративным заболеванием , которое влияет на центральную нервную систему ; В частности, это влияет на области неокортекса и таламуса , включения , похожие на удилища эозинофильные где образуются . Пострадавшие люди представляют фенотип с деформациями на медианной линии, сенсорной потерей слуха и дистонией. Это вызвано точечной мутацией, в которой аминокислотный триптофан заменяет аргинин в положении 183. Это изменяет взаимодействие актина с системой ADF/ кофилина , которая регулирует динамику формирования цитоскелета нервных клеток .
• Также была обнаружена доминирующая точечная мутация, которая вызывает дисфункцию нейтрофилов гранулоцитов и повторяющиеся инфекции . Похоже, что мутация изменяет домен, ответственный за связывание между профилином и другими регуляторными белками. Сродство Актина к профилину значительно снижена в этом аллеле.

Локус ACTG1 кодирует цитозольный γ-актиновый белок , который отвечает за образование цитоскелетных микрофиламентов . Он содержит шесть экзонов , приводящих к 22 различным мРНК , которые производят четыре полных изоформе , форма экспрессии, вероятно, зависит от типа ткани, в которой они обнаружены. Он также имеет два различных промотора ДНК . Было отмечено, что последовательности, переведенные из этого локуса и из-за β-актина, очень похожи на прогнозируемые, что свидетельствует об общей предков, которая перенесла дупликацию и генетическую конверсию.

С точки зрения патологии, она была связана с такими процессами, как амилоидоз , пигментирование ретинита , механизмы инфекции, заболевания почек и различные типы врожденных потерь слуха.

Было обнаружено, что шесть аутосомно-доминантных точечных мутаций в последовательности вызывают различные типы потери слуха, особенно сенсонирусную потерю слуха, связанную с локусом DFNA 20/26. Похоже, что они влияют на стереоцилии ресничных клеток, присутствующих в органе внутреннего уха Корти . β-актин является наиболее распространенным белком, обнаруженным в тканях человека, но он не очень распространен в ресничных клетках, что объясняет местоположение патологии. С другой стороны, представляется, что большинство этих мутаций влияют на области, связанные с связыванием с другими белками, особенно актомиозином. Некоторые эксперименты показали, что патологический механизм для этого типа потери слуха связан с F-актином в мутациях, более чувствительных к кофилину, чем обычно.

Однако, хотя нет никаких записей о каком-либо случае, известно, что γ-актин также экспрессируется в скелетных мышцах, и, хотя он присутствует в небольших количествах, модельные организмы показали, что его отсутствие может привести к миопатиям.

Другие патологические механизмы

Некоторые инфекционные агенты используют актин, особенно цитоплазматический актин, в своем жизненном цикле . Две основные формы присутствуют в бактериях :

• Listeria monocytogenes , некоторые виды Rickettsia , Shigella Flexneri и других внутриклеточных микробов выходят из фагоцитарных вакуолей, покрывая себя капсулой актиновых филаментов. L. monocytogenes и S. flexneri генерируют хвост в форме «хвоста кометы», который дает им подвижность. Каждый вид демонстрирует небольшие различия в механизме молекулярной полимеризации их «хвостов кометы». Например, наблюдались различные скорости смещения, а Листерия и Шигелла признаны самыми быстрыми. Многие эксперименты продемонстрировали этот механизм in vitro . Это указывает на то, что бактерии не используют миозиноподобный белковый двигатель, и, по-видимому, их движение получает давление, оказываемое полимеризацией, которая происходит рядом с клеточной стенкой микроорганизма. Бактерии ранее были окружены ABP от хозяина, и как минимум покрытие содержит комплекс ARP2/3 , белки ENA/VASP , кофилин, промоторы буферизации белка и нуклеации, такие как винкулина комплекс . Благодаря этим движениям они образуют выступы, которые достигают соседних клеток, а также заражая их, так что иммунная система могла бороться с инфекцией только с помощью клеточного иммунитета. Движение может быть вызвано модификацией кривой и разбором филаментов. Другие виды, такие как Mycobacterium marinum и burkholderia pseudomallei , также способны локализовать полимеризацию клеточного актина, чтобы помочь их движению через механизм, который сосредоточен на комплексе ARP2/3. Кроме того, вируса вакциния против вакцины также использует элементы актинового цитоскелета для его распространения.
• Pseudomonas aeruginosa способна образовывать защитную биопленку , чтобы избежать защиты организма хозяина , особенно лейкоцитов и антибиотиков . Биопленка строится с использованием ДНК и актиновых филаментов из организма хозяина.

В дополнение к ранее приведенным примеру, актиновая полимеризация стимулируется на начальных этапах интернализации некоторых вирусов, особенно ВИЧ , например, инактивируя комплекс кофилина.

Роль, которую актин играет в процессе инвазии раковых клеток, до сих пор не была определена.

В условиях высокого липопероксидирования, было показано, что актин посттрансляционно модифицирован продуктом липопероксидирования 4-гидроксиноненал (4-HNE) Полем Эта модификация предотвращает ремоделирование актинового цитоскелета, что необходимо для подвижности клеток. Кроме того, другой функциональный белок, коронин-1А, который стабилизирует филаменты F-актина, также ковалентно модифицируется 4-HNE. Эти модификации могут нарушать транс-эндотелиальную миграцию иммунных клеток или их фагоцитарную способность потенциально приводит к снижению иммунного ответа при заболеваниях, характеризующихся высоким окислительным стрессом, таким как малярия, рак, метаболический синдром, атеросклероз, болезнь Альцгеймера, ревматоидный артрит, нейродегенеративные заболевания и преэклампсия.

Приложения

Актин используется в научных и технологических лабораториях в качестве дорожки для молекулярных двигателей, таких как миозин (либо в мышечной ткани, либо за его пределами), и в качестве необходимого компонента для клеточного функционирования. Его также можно использовать в качестве диагностического инструмента, поскольку некоторые из его аномальных вариантов связаны с появлением специфических патологий.

• Нанотехнология . Актин-миозиновые системы действуют как молекулярные двигатели, которые позволяют транспортировать везикул и органелл по всей цитоплазме. Вполне возможно, что актин может применяться к нанотехнологиям , поскольку его динамическая способность была использована в ряде экспериментов, в том числе и проводимых в бесклеточных системах. Основная идея состоит в том, чтобы использовать микрофиламенты в качестве треков для направления молекулярных двигателей, которые могут переносить данную нагрузку. То есть актин может быть использован для определения схемы, по которой нагрузка может быть транспортирована более или менее контролируемым и направленным образом. С точки зрения общих приложений, он может быть использован для направленного транспортировки молекул для отложения в определенных местах, что позволило бы контролировать сборку наноструктур. Эти атрибуты могут быть применены к лабораторным процессам, таким как на лаборатории на чипе , в механике нанокомпонентов и на нанотрансформаторах, которые преобразуют механическую энергию в электрическую энергию.

Вестерн -блот для цитоплазматического актина из легких и эпидидимиса крысы

• Актин используется в качестве внутреннего контроля в вестерн -блотах, чтобы установить, что равные количества белка были загружены на каждую полосу геля. В примере блоттинга, показанном на левой стороне, 75 мкг общего белка загружали в каждую скважину. Блот реагировали с анти-β-актиновым антителом (другие детали блота см. Ссылку )

Использование актина в качестве внутреннего контроля основано на предположении, что его экспрессия практически постоянно и не зависит от условий эксперимента. Сравнивая экспрессию интересующего гена с экспрессией актина, можно получить относительную величину, которую можно сравнить между различными экспериментами, Всякий раз, когда выражение последнего является постоянным. Стоит отметить, что актин не всегда обладает желаемой стабильностью в экспрессии генов .

• Здоровье. Некоторые аллели актина вызывают заболевания; По этой причине были разработаны методы их обнаружения. Кроме того, актин может использоваться в качестве косвенного маркера в хирургической патологии: можно использовать различия в структуре его распределения в тканях в качестве маркера инвазии при неоплазии , васкулите и других состояниях. Кроме того, из -за тесной связи актина с аппаратом мышечного сокращения его уровни в скелетных мышцах уменьшается при атрофии этих тканей , поэтому его можно использовать в качестве маркера этого физиологического процесса.
• Продовольственные технологии . Можно определить качество определенных обработанных продуктов, таких как колбасы , путем количественной оценки количества актина, присутствующего в составляющем мясе. Традиционно использовался метод, основанный на обнаружении 3-метилхистидина в гидролизованных образцах этих продуктов, поскольку это соединение присутствует в тяжелой цепи актина и F-миозина (оба являются основными компонентами мышц). Генерация этого соединения во плоти происходит от метилирования , остатков гистидина присутствующих в обоих белках.

История

Нобелевской премии победитель Физиолог- Альберт фон Шент-Герги Грейт , совместный соавтор Актина с Ференком Бруно Штрауб

актин наблюдался экспериментально Впервые в 1887 году WD Halliburton , который извлекал белок из мышц, которые «коагулировали» препараты миозина , которые он назвал «миозином». Тем не менее, Халлибертон не смог еще больше усовершенствовать свои результаты, и открытие актина вместо этого приписывается Брунору Ференку Штраубу , молодому биохимике, работающему в лаборатории Альберта Шент-Гиргей в Институте медицинской химии в Университете Зегла , Венгрия .

После обнаружения Илоны Банга и Сцент-Герги в 1941 году, что коагуляция происходит только в некоторых извлечениях миозина и была изменена при добавлении АТФ, Штрауб идентифицировал и очищал актин из тех препаратов миозина, которые действительно коагулировали. Опираясь на оригинальный метод извлечения Банга, он разработал новую технику для извлечения мышечного белка, который позволил ему выделить значительные количества относительно чистого актина, опубликованного в 1942 году. Метод Штрауба по сути такой же, как и в лабораториях сегодня. Поскольку белок Штрауба был необходим для активации коагуляции миозина, его дублировали актин . Понимая, что коагулирующие миозиновые препараты Банга также содержали актин, Szent-györgyi называется смесью обоих белков актомиозин .

Военные действия Второй мировой войны означали, что Szent-Gyorgyi не смог опубликовать работу своей лаборатории в западных научных журналах . Поэтому актин стал хорошо известен на Западе только в 1945 году, когда их статья была опубликована в качестве дополнения к Scandinavica Acta Physiologica . Штрауб продолжал работать над актином, и в 1950 году сообщил, что актин содержит связанный АТФ и что во время гидролизуют до ADP и полимеризации белка в микрофиламенты нуклеотид неорганического фосфата связанными ( которые остаются с микрофиламентом). Штрауб предположил, что трансформация АТФ-связанного актина в ADP-связанный актин сыграла роль в мышечном сокращении. Фактически, это верно только в гладких мышцах и не поддерживалось через эксперименты до 2001 года.

Аминокислотное секвенирование актина было завершено М. Эльзингом и коллегами в 1973 году. Кристаллическая структура G-актина была решена в 1990 году Кабшем и его коллегами. В том же году Холмс и его коллеги предложили модель для F-Actin после экспериментов с использованием совместной кристаллизации с различными белками. Процедура совместной кристаллизации с различными белками использовалась неоднократно в течение следующих лет, пока в 2001 году изолированный белок был кристаллизован вместе с ADP. Тем не менее, до сих пор нет рентгеновской структуры F-Actin высокого разрешения. Кристаллизация G-актина была возможна из-за использования конъюгата родамина , который препятствует полимеризации путем блокирования аминокислотной Cys-374 . Кристина Ориол-Аудит умерла в том же году, когда актин был впервые кристаллизован, но она была исследователем, что в 1977 году впервые кристаллизовал актин в отсутствие актина, связывающих белки (ABP). Тем не менее, полученные кристаллы были слишком малы для доступной технологии того времени.

Хотя в настоящее время в 2008 году команда Sawaya не существует, в 2008 году команда Sawaya не существует, в 2008 году команда Sawaya смогла создать более точную модель своей структуры на основе нескольких кристаллов димеров актина , которые связываются в разных местах. Эта модель впоследствии была дополнительно усовершенствована Sawaya и Lorenz. Другие подходы, такие как использование криоэлектронной микроскопии и синхротроновое излучение , недавно позволили увеличить разрешение и лучшее понимание природы взаимодействий и конформационных изменений, связанных с формированием актиновых филаментов.

Исследовать

Химические ингибиторы

Химическая структура фаллоидина

Ряд естественных токсинов , которые мешают динамике актина, широко используются в исследованиях для изучения роли актина в биологии. Латрункулин -токсин, продуцируемый губками -связывается с G-актином, предотвращая его соединение микрофиламентов. Цитохалазин D - произведенный определенными грибами - служит фактором защиты, связывание с (+) конец нити и предотвращение дальнейшего добавления молекул актина. Напротив, губчатый токсин ясплакинолид способствует зарождению новых актиновых филаментов путем связывания и стабильзируя пары молекул актина. Phalloidin -от грибов «смертная крышка» amanita phalloides -связывается с соседними молекулами актина в нити F-актина, стабилизируя нити и предотвращая ее деполимеризацию.

Фаллоидин часто помечается флуоресцентными красителями для визуализации актиновых филаментов с помощью флуоресцентной микроскопии .

Смотрите также

• Ремоделирование актина - влияние на структуру и форму клеток
• Активная материя
• Филоподия
• Промежуточная нить
• Ламеллиподиум
• Моторный белок - превращает химическую энергию в механическую работу
• Нейрон
• Фаллотоксин

Ссылки

Работы цитируются

• Lodish HF, Berk A, Kaiser C, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, et al. (2016). «Организация клеток и движение I: микрофиламенты». Молекулярная клеточная биология (восьмое изд.). Нью -Йорк: WH Freeman. ISBN  978-1-4641-8339-3 .
• Поллард ТД (август 2016 г.). «Актитин и актин-связывающие белки» . Холодный весна Harb Perspect Biol . 8 (8): A018226. doi : 10.1101/cshperspect.a018226 . PMC   4968159 . PMID   26988969 .

Внешние ссылки

• Методы окрашивания актина (живое и фиксированное окрашивание клеток)
• Eukaryotic Linear Motif Resource Motif Class LIG_ACTIN_RPEL_3
• Eukaryotic Linear Motif Resource Motif Class LIG_ACTIN_WH2_1
• Eukaryotic Linear Motif Resource Motif Class LIG_ACTIN_WH2_2
• 3D макромолекулярные структуры актиновых филаментов из Банка данных EM (EMDB)