Biologie celulară 06: citoscheletul partea a II-a: tubulină

BY admin
|

acestea sunt note din prelegerea 6 a cursului de Biologie Celulară al extensiei Harvard.

săptămâna trecută am acoperit microfilamentele, care sunt făcute din actină. În această săptămână: microtubuli, din tubulină. De ce, întrebați, citoscheletul are nevoie de două sisteme separate? Luați în considerare faptul că microfilamentele sunt doar lanțuri de subunități individuale, în timp ce microtubulii sunt literalmente tuburi (așa cum vom vedea în curând) – cilindri goi cu pereți din lanțuri din dimeri. Aceste structuri diferite înseamnă capacități diferite: microfilamentele se pot forma mai ușor spontan și se pot ramifica (cu ajutorul Arp2/3 și a altor complexe discutate ultima dată) pentru a forma diferite forme de rețea și a conecta diferite părți ale celulei. Microtubulii se bazează mai mult pe nucleație pentru a se forma și sunt practic o rețea de spițe care conectează centrosomul la periferia celulei. În practică, microfilamentele sunt abundente în cortexul celular și sunt puternic implicate în mișcările contractile și motilitatea celulară, în timp ce microtubulii sunt cei mai implicați în organizarea organitelor și servesc drept piste pentru transportul anterograd și retrograd.

microtubuli

(imagine datorită utilizatorului Wikimedia Commons Jeffrey81)

pe lângă Wikipedia, edițiile anterioare ale manualelor de Biologie Celulară Lodish și Cooper disponibile pe NCBI sunt, de asemenea, referințe excelente.

structura tubulară a microtubulilor este mai robustă decât microfilamentele, permițând o mulțime de trageri și împingeri grele. Deși robuste, microtubulii sunt dependenți de temperatură-se depolimerizează dacă sunt răciți la 4 centimetrii C și se repolimerizează din nou dacă sunt încălziți la 37 centimetrii C, cu condiția ca GTP să fie disponibil.

blocul de bază al microtubulilor este un dimer de tubulină/tubulină (codificat de genele TUBA_ și respectiv genele TUBB_). Proteinele tubulinice individuale cântăresc fiecare ~55kda, deci la ~110da / aminoacid care este de ordinul a 500 de aminoacizi. Atât tubulinele de la hectar, cât și cele de la XV leagă GTP-ul, dar acesta se menține pentru totdeauna, în timp ce în el se poate schimba sau hidroliza în PIB și apoi se poate schimba din nou cu GTP nou.

Fire consecutive α/β dimeri face protofilamente, și 13 protofilamente aranjate side-by-side într-un cilindru face o dublete. Spațiul dintre protofilamente se numește cusătură. Întregul microtubul este ~25 nm în diametru. Puteți vedea structura sa (formată din dimeri și protofilamente) în viața interioară a segmentului celular despre microtubuli:

în cadrul fiecărui dimer, subunitatea (+) este capătul ( + ), favorizat pentru polimerizare, iar cel ( – ) este capătul ( – ), favorizat pentru depolimerizare. Microtubulii se formează practic în aceleași trei etape ca microfilamentele-nucleația, alungirea și starea de echilibru. Dar, spre deosebire de microfilamente, ele nu se nucleează ușor pe cont propriu, astfel încât nucleația necesită centre de organizare a microtubulilor (Mtoc). Celulele care nu se divid au fiecare un singur MTOC, numit centrosom. (Acest lucru este descris și în videoclipul de mai sus). Situat în apropierea nucleului, centrosomul este hub la o configurație radială a microtubulilor cu capetele ( – ) îndreptate în și capetele ( + ) îndreptate spre periferia celulei.

centrozomul este compus din 2 cilindri numiți centrioli. Fiecare centriol este format din fiecare 9 seturi de 3 microtubuli fuzionați lateral, înconjurați de un ‘material pericentriolar amorf’ bogat în lucruri care promovează nucleația – în special complexele inelare de tubulină (tubulina gamma este codificată de genele TUBG_). – tubulina este gândită ca o ‘mașină de spălat divizată’:

modelul este că capetele despicate permit ca tubulina să se lege de tubulina-adică capătul ( – ) al unui microtubul care urmează să fie format-oferind sămânța de nucleație pentru formarea unui microtubul.

microtubulii se pot forma in vitro. Dinamica depinde în mare parte de concentrațiile critice. Capătul ( – ) este mai puțin înclinat spre polimerizare decât capătul ( + ), deci are o concentrație critică mai mare. Dacă concentrația reală se află între concentrațiile critice ale celor două capete, are loc banda de alergare.

când un microtubul începe brusc să se disocieze, aceasta se numește ‘catastrofă’. Catastrofele au o dinamică energetică interesantă. Reamintim mai devreme că beta-tubulina, care este capătul (+) în care se întâmplă alungirea, poate fi legată de GTP sau PIB. Este o parte mai stabilă a microtubulului său atunci când este legat de GTP; tubulina legată de PIB este aptă să se disocieze. Microtubulii se formează în primul rând prin adăugarea beta-tubulinei legate de GTP la capătul ( + ), dar după ce au fost adăugate, moleculele beta-tubulinei își hidrolizează ulterior GTP, lăsându-le legate de PIB. Deci, există un fel de vârf al microtubulului care este legat de GTP, în timp ce beta-tubulina mai adânc în microtubul, adăugată cu mai mult timp în urmă, este legată de PIB. Dacă frontiera hidrolizei GTP ajunge până la vârf sau dacă se întâmplă ceva pentru a rupe microtubulul, atunci beta-tubulina mai puțin stabilă, legată de PIB, devine expusă și protofilamentele vor începe să se desprindă ca „coarnele berbecului”. Dacă se întâmplă acest lucru, microtubulul se va dezasambla până când va lovi o „insulă” de beta-tubulină legată de GTP undeva mai jos de paie. Catastrofa poate fi salvată prin adăugarea de noi dimeri tubulini legați de GTP care vor acoperi capetele și vor stabiliza protofilamentele, permițând microtubulului să se reformeze. Puteți vedea în acest videoclip că depolimerizarea microtubulilor poate fi mult mai rapidă decât polimerizarea:

iată câțiva compuși utili pentru studierea microtubulilor. Colchicina, un medicament anti-gută, leagă dimerii alfa-beta liberi, reducând oferta lor pentru formarea microtubulilor și promovând astfel depolimerizarea. Nocodazolul interferează, de asemenea, cu formarea de microtubuli noi și, deoarece formarea de microtubuli noi este importantă pentru mitoză, nocodazolul este un medicament antineoplazic pentru cancer. În schimb, paclitaxel( taxol), un alt medicament anti-cancer, funcționează prin stabilizarea microtubulilor, deoarece defalcarea microtubulilor existenți este importantă și pentru mitoză.

proteinele asociate microtubulilor (MAPs) au diferite roluri. De remarcat sunt MAP4 (în celulele non-neuronale), MAP2 (în neuroni) și Tau (în neuroni; codificat de gena MAPT). Toate acestea au în comun faptul că acționează pentru stabilizarea microtubulilor, schimbând cinetica în favoarea creșterii microtubulilor și împotriva catastrofei. Fiecare conține o întindere de 18 aminoacizi cu aminoacizi încărcați pozitiv care se leagă de partea negativă a microtubulilor. Acestea pot acționa pentru a lega mai mulți microtubuli împreună , MAP2 ținând microtubulii la o distanță mai mare datorită brațului său mai lung (comparativ cu Tau).

hărțile sunt reglementate prin fosforilare: MARK protein kinazele leagă covalent grupările fosfat de aminoacizii S, T sau Y din proteinele MAP, reducând capacitatea lor de a lega microtubuli. (Kinazele dependente de ciclină reglează, de asemenea, hărțile în timpul mitozei). Se crede că aceste hărți acționează pentru a determina structura fizică a celulelor. În neuroni, MAP2 se găsește în dendrite, iar Tau este mai ales în axon. Mutațiile genei MAPT care codifică Tau provoacă demență frontotemporală (FTD). Tau hiperfosforilat se găsește (deși nu știm de ce) în creierul pacienților cu Alzheimer. Modelele de șoareci ale ambelor boli prezintă degenerare axonală, în concordanță cu faptul că Tau nu își poate face treaba de stabilizare a microtubulilor în axon.

o altă clasă de proteine, numită +Sfaturi pentru legarea lor la capătul (+) al microtubulilor, poate proteja împotriva catastrofei. Ele par să se extindă un mod echitabil în jos, în microtubule. Acest videoclip arată că EB-1 este împins spre exterior, deoarece capetele microtubulilor cresc:

alte proteine care leagă capătul promovează mai degrabă catastrofa decât stabilitatea. Kinesin – 13 acționează pentru a curba sfârșitul protofilamentelor, scăzând pragul pentru catastrofă. Stathmin (gena STMN1; alias Op18, unde Op înseamnă oncoproteină) se leagă de dimerii tubulinei într-un protofilament, promovând atât catastrofa imediată, cât și, eventual, hidroliza GTP, care prin eliminarea „insulelor” beta-tubulinei legate de GTP ar reprezenta mai mult o investiție pe termen lung în favoarea catastrofei. Stathmin este reglat prin fosforilare. Katanin (după sabia japoneză katana) rupe literalmente microtubuli.

proteinele motorului microtubulilor sunt în mare parte similare cu proteinele motorului microfilament. Ei vin în două familii: kinesins, dintre care majoritatea se mișcă anterogradă adică spre capătul ( + ); și dyneins, dintre care majoritatea se mișcă retrograd adică spre capătul ( -). Ei merg astfel:

Kinesina și dineina sunt implicate în organele în mișcare, endocitoză și exocitoză și segregarea cromozomilor în timpul meiozei & mitoză.

Kinesina-1, cea mai bine studiată dintre kinesine, este o kinesină convențională prin faptul că funcționează ca un tetramer compus din două unități de lanț greu (genele KIF1 de ex. Kif1a) care cuprind domeniile ‘cap ‘care hidrolizează ATP și leagă microtubulii și două unități de lanț ușor (gene KLC de ex.KLC1) care cuprind o’ coadă ‘ care leagă încărcătura, în acest caz vezicule. Un domeniu linker (din care proteină face parte?) permite dimerizarea a două lanțuri grele.

Iată un videoclip cu ea în acțiune. Rețineți că videoclipul îl numește dimer în loc de tetramer; cred că asta pentru că iau în considerare doar capetele și nu discută cozile.

unele dintre celelalte kinesine diferă puțin:

  • Kinesin-2, care face și vezicule & organelle transport, este un heterotrimer cu două lanțuri grele diferite (deși înrudite) și o altă polipeptidă pe care o folosește pentru a-și regla încărcătura.
  • Kinesin-5 are capete la ambele capete în loc de cap și coadă, astfel încât merge în direcții opuse pe doi microtubuli diferiți, trăgându-i împreună. Aceasta se numește mișcare bipolară.
  • Kinesina-14 este singura kinesină cunoscută care se deplasează spre capătul (-) și este implicată în mitoză.

principiile mișcării de mers pe jos sunt aproape aceleași pentru toți kinesinii, totuși, și sunt ceea ce este descris în ultimul videoclip de mai sus. Când nu sunt legate de un microtubul, capetele sunt ambele legate de ADP. Un cap se va întâmpla să întâlnească un microtubul și să se lege de el, eliberând ADP-ul său, permițând unui ATP să-l înlocuiască. Legarea ATP induce schimbarea conformațională care trage pe linker, legănându-l pe celălalt, rămânând capul înainte în poziția de lider unde se leagă de microtubul. Capul original hidrolizează apoi ATP care eliberează fosfat (care este prescurtat ca Pi în videoclip) și furnizează energia pentru cel pas energetic în sus în acest proces, care se îndepărtează de microtubul.

miozina (proteina motorie care merge pe microfilamente) și kinesina au structuri foarte similare, dar nu au o similitudine a secvenței de aminoacizi. Astfel, se crede că nu sunt paralogi, ci mai degrabă un exemplu de evoluție convergentă.

oamenii vorbesc mult despre kinesine în parte pentru că nu înțelegem dyneins la fel de bine. Dyneinele sunt proteine uriașe, formate din 2 subunități mari, 2 intermediare și 2 mici. Dimensiunea lor pură le-a făcut dificil de izolat și caracterizat, iar funcționarea lor nu este bine înțeleasă. Știm că complexul dynactin (un complex multi-proteic; dynactinele în sine sunt genele DTCN_) este implicat ca un ‘adaptor’ care leagă dineina de încărcătură.

acest videoclip rezumă întregul citoschelet și frânghii în mare parte din materialul de săptămâna trecută și această prelegere:

PrP

după cum se menționează în notele de cale secretorie, PrP este GPI-ancorat la membrană și suferă endocitoză foarte regulat, creând vezicule endocitare cu PrP în ele. Encalada 2011 constată că Kinesin-1C și DHC1 (dinein heavy chain 1) sunt responsabile pentru transportul acestor vezicule PrP anterograde și respectiv retrograde. Când Encalada a eliminat, a doborât sau a inhibat Kinesin-1C, mișcarea anterogradă și retrogradă au fost reduse și, în mod similar, când DHC1 a fost întrerupt. Deci, se pare că aceste două complexe, deși se mișcă în direcții opuse, se activează reciproc. Și interesant, perturbarea acestor proteine motorii nu a împiedicat asocierea veziculelor PrP cu motoarele – pur și simplu nu s-au mișcat la fel de repede sau la fel de des. Lucrarea are o serie de alte concluzii de biologie celulară despre natura modului în care veziculele activează proteinele motorii și modul în care este determinată direcția de transport.