Актин - Actin

Актин
Ленточная диаграмма G-актина. Выделены АДФ, связанный с активным сайтом актина (многоцветные палочки в центре рисунка), а также сложный дикатион кальция (зеленая сфера).
Идентификаторы
Символ	Актин
Pfam	PF00022
ИнтерПро	IPR004000
ПРОФИЛЬ	PDOC00340
SCOP2	2btf / SCOPe / SUPFAM
Доступные белковые структуры: Pfam   структуры / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum краткое изложение структуры

Актина является семьей из глобулярных многофункциональных белков , которые образуют микрофиламенты в цитоскелете , а также тонкие нити в мышечных волокнах . Он обнаружен практически во всех эукариотических клетках , где он может присутствовать в концентрации более 100 мкМ ; его масса составляет примерно 42 кДа , а диаметр - от 4 до 7 нм.

Белок актина является мономерной субъединицей двух типов филаментов в клетках: микрофиламентов , одного из трех основных компонентов цитоскелета, и тонких филаментов, части сократительного аппарата в мышечных клетках. Он может присутствовать либо в виде свободного мономера, называемого G-актин (глобулярный), либо как часть линейного полимерного микрофиламента, называемого F-актин (нитчатый), оба из которых необходимы для таких важных клеточных функций, как подвижность и сокращение клеток во время деление клеток .

Актин участвует во многих важных клеточных процессах, включая сокращение мышц , подвижность клеток, деление клеток и цитокинез , движение пузырьков и органелл , передачу сигналов между клетками , а также создание и поддержание клеточных соединений и формы клеток. Многие из этих процессов опосредуются обширными и тесными взаимодействиями актина с клеточными мембранами . У позвоночных были идентифицированы три основные группы изоформ актина : альфа , бета и гамма . Альфа-актины, обнаруженные в мышечных тканях, являются основной составляющей сократительного аппарата. Бета- и гамма-актины сосуществуют в большинстве типов клеток как компоненты цитоскелета и как медиаторы внутренней подвижности клеток . Считается, что широкий спектр структур, образованных актином, позволяющих ему выполнять такой широкий спектр функций, регулируется путем связывания тропомиозина вдоль филаментов.

Способность клетки динамически формировать микрофиламенты обеспечивает основу, которая позволяет ей быстро реконструировать себя в ответ на окружающую среду или внутренние сигналы организма , например, для увеличения абсорбции клеточной мембраны или увеличения клеточной адгезии для образования клеточной ткани . К этому каркасу могут быть прикреплены другие ферменты или органеллы, такие как реснички , чтобы контролировать деформацию внешней клеточной мембраны , что делает возможным эндоцитоз и цитокинез . Он также может производить движение самостоятельно или с помощью молекулярных двигателей . Таким образом, актин участвует в таких процессах, как внутриклеточный транспорт везикул и органелл, а также в мышечное сокращение и миграцию клеток . 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 прокариот и архей полимеризуются в различные спиральные или линейные филаменты, состоящие из одной или нескольких нитей. Однако внутрицепочечные контакты и сайты связывания нуклеотидов сохраняются у прокариот и архей. Наконец, актин играет важную роль в контроле экспрессии генов .

Большое число заболеваний и заболеваний , вызванных мутациями в аллелями этих генов , которые регулируют выработку актина или его ассоциированных белков. Производство актина также является ключом к процессу заражения некоторыми патогенными микроорганизмами . Мутации в различных генах, регулирующих выработку актина у людей, могут вызывать мышечные заболевания , изменения размеров и функций сердца, а также глухоту . Состав цитоскелета также связан с патогенностью внутриклеточных бактерий и вирусов , особенно в процессах, связанных с уклонением от действий иммунной системы .

Открытие и раннее расследование

Нобелевской премии победы физиолог Альберт фон Сент-Дьерди Nagyrápolt , один из открывателей актина с BRUNO Ференца Straub

Впервые актин был экспериментально обнаружен в 1887 году У. Д. Халлибертоном , который извлек из мышцы белок, который «коагулировал» препараты миозина, которые он назвал «миозиновый фермент». Однако компания Halliburton не смогла уточнить свои открытия, и открытие актина приписывается Бруно Ференцу Штраубу , молодому биохимику, работающему в лаборатории Альберта Сент-Дьерди в Институте медицинской химии Университета Сегеда , Венгрия .

Вслед за открытием Илоной Банга и Сент-Дьерди в 1941 году того, что коагуляция происходит только в некоторых экстрактах мизозина и отменяется при добавлении АТФ, Штрауб идентифицировал и очищал актин из тех препаратов миозина, которые действительно свертывались. Основываясь на оригинальном методе экстракции Банги, он разработал новый метод выделения мышечного белка, который позволил ему выделить значительные количества относительно чистого актина, опубликованный в 1942 году. Метод Штрауба по сути тот же, что используется в лабораториях сегодня. Поскольку белок Штрауба был необходим для активации свертывания миозина, его назвали актином . Понимая, что препараты коагулирующего миозина Банги также содержат актин, Сент-Дьёрдьи назвал смесь обоих белков актомиозином .

Военные действия Второй мировой войны привели к тому, что Сент-Дьердь не смог опубликовать результаты своей лаборатории в западных научных журналах . Таким образом, актин стал хорошо известен на Западе только в 1945 году, когда их статья была опубликована в качестве дополнения к Acta Physiologica Scandinavica . Строб продолжал работать над актина, а в 1950 году сообщали , что актина содержит связанный АТФ и что, во время полимеризации белка в микрофиламентов , то нуклеотид является гидролизуется до АДФ и неорганического фосфата (которые остаются связанной с микрофиламентов). Штрауб предположил, что преобразование АТФ-связанного актина в АДФ-связанный актин играет роль в мышечном сокращении. Фактически, это верно только для гладких мышц и не подтверждалось экспериментально до 2001 года.

Аминокислотная последовательность актина была завершена М. Элзинга и сотрудниками в 1973 г. кристаллическую структуру из G-актина была решена в 1990 году Kabsch и коллегами. В том же году Холмс и его коллеги предложили модель F-актина 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 не кристаллизовался вместе с АДФ. Однако до сих пор нет рентгеновской структуры F-актина с высоким разрешением. Кристаллизация F-актина стала возможной благодаря использованию конъюгата родамина, который препятствует полимеризации, блокируя аминокислоту cys-374 . Кристин Ориол-Аудит умерла в том же году, когда актин был впервые кристаллизован, но она была исследователем, который в 1977 году впервые кристаллизовал актин в отсутствие актин-связывающих белков (ABP). Однако полученные кристаллы были слишком маленькими для доступных технологий того времени.

Хотя в настоящее время не существует модели нитевидной формы актина с высоким разрешением, в 2008 году команда Савая смогла создать более точную модель ее структуры, основанную на нескольких кристаллах димеров актина, которые связываются в разных местах. Впоследствии эта модель была усовершенствована Савайей и Лоренцем. Другие подходы, такие как использование криоэлектронной микроскопии и синхротронного излучения , недавно позволили повысить разрешение и лучше понять природу взаимодействий и конформационных изменений, вовлеченных в образование актиновых филаментов.

Структура

Актин в аминокислотной последовательность является одним из наиболее высоко консервативных белков , как это мало изменилось в течение эволюции , отличающееся не более чем на 20% в видов , как разнообразно , как водоросль и люди . Поэтому считается, что он имеет оптимизированную структуру . Он имеет две отличительные особенности: это фермент, который медленно гидролизует АТФ , «универсальную энергетическую валюту» биологических процессов. Однако для сохранения структурной целостности требуется АТФ. Его эффективная структура образована практически уникальным процессом складывания . Кроме того, он способен выполнять больше взаимодействий, чем любой другой белок, что позволяет ему выполнять более широкий спектр функций, чем другие белки, практически на всех уровнях клеточной жизни. Миозин - это пример белка, который связывается с актином. Другой пример - виллин , который может сплетать актин в пучки или разрезать нити в зависимости от концентрации катионов кальция в окружающей среде.

Актин - один из наиболее распространенных белков у эукариот , где он обнаружен по всей цитоплазме. Фактически, в мышечных волокнах он составляет 20% от общего клеточного белка по весу и от 1% до 5% в других клетках. Однако существует не только один тип актина; эти гены , которые кодируют актин определяется как семейства генов (семьи , что у растений содержит более 60 элементов, в том числе генов и псевдогенов и у людей более 30 элементов). Это означает, что генетическая информация каждого человека содержит инструкции, которые генерируют варианты актина (называемые изоформами ), которые обладают немного разными функциями. Это, в свою очередь, означает, что эукариотические организмы экспрессируют разные гены, дающие начало: α-актину, который находится в сократительных структурах; β-актин, обнаруженный на расширяющейся границе клеток, которые используют выступ своих клеточных структур в качестве средства передвижения; и γ-актин, который содержится в филаментах стресс-волокон . В дополнение к сходству, которое существует между изоформами организма, существует также эволюционная консервация в структуре и функциях даже между организмами, содержащимися в разных эукариотических доменах . У бактерий был идентифицирован гомолог актина MreB , который представляет собой белок, способный полимеризоваться в микрофиламенты; а у архей гомолог Ta0583 даже больше похож на эукариотические актины.

Клеточный актин имеет две формы: мономерные глобулы, называемые G-актином, и полимерные филаменты, называемые F-актином (то есть филаменты, состоящие из многих мономеров G-актина). F-актин также можно описать как микрофиламент. Две параллельные нити F-актина должны повернуться на 166 градусов, чтобы правильно лежать друг на друге. Это создает двойную спиральную структуру микрофиламентов цитоскелета. Микроволокна имеют диаметр примерно 7 нм, спираль повторяется каждые 37 нм. Каждая молекула актина связана с молекулой аденозинтрифосфата (АТФ) или аденозиндифосфата (АДФ), которая связана с катионом Mg ²⁺ . Наиболее часто встречающиеся формы актина по сравнению со всеми возможными комбинациями - это АТФ-G-актин и АДФ-F-актин.

G-актин

Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывают, что G-актин имеет глобулярную структуру; однако рентгеновская кристаллография показывает, что каждая из этих глобул состоит из двух долей, разделенных щелью. Эта структура представляет собой «складку АТФазы», ​​которая является центром ферментативного катализа, который связывает АТФ и Mg ²⁺ и гидролизует первый до АДФ плюс фосфат . Эта складка является консервативным структурным мотивом, который также встречается в других белках, которые взаимодействуют с трифосфатными нуклеотидами, такими как гексокиназа (фермент, используемый в энергетическом метаболизме ) или в белках Hsp70 (семейство белков, играющих важную роль в укладке белков). G-актин функционален только тогда, когда он содержит АДФ или АТФ в своей щели, но форма, связанная с АТФ, преобладает в клетках, когда актин присутствует в свободном состоянии.

Лента модель актина извлекается из поперечно - полосатой мышечной ткани в виде кролика после Graceffa и Домингес, 2003. Эти четыре подобласти можно увидеть, а также N и C - концов и положения АТФ связи. Молекула ориентирована с использованием обычной условности размещения - конца (заостренный конец) в верхней части и конца + (колючий конец) в нижней части.

Рентгеновская кристаллография модель актина , что было произведено Kabsch из поперечно - полосатой мышечной ткани из кроликов является наиболее широко используется в структурных исследованиях , как это было первым , чтобы быть очищен . G-актин, кристаллизованный Кабшем, имеет размер примерно 67 x 40 x 37 Å , молекулярную массу 41 785 Да и расчетную изоэлектрическую точку 4,8. Его чистый заряд при pH = 7 составляет -7.

Первичная структура

Эльзинга и его сотрудники впервые определили полную пептидную последовательность для этого типа актина в 1973 году, а более поздняя работа того же автора добавила дополнительные детали к модели. Он содержит 374 аминокислотных остатка. Его N-конец очень кислый и начинается с ацетилированного аспартата в его аминогруппе. В то время как его C-конец является щелочным и образован фенилаланином, которому предшествует цистеин , который имеет определенную степень функционального значения. Обе крайности находятся в непосредственной близости в пределах I-подобласти. Аномальный N ^τ -метилгистидин находится в позиции 73.

Третичная структура - домены

Третичная структура образована двумя доменами , известных как большой и малый, которые отделены друг от друга расщелины вокруг местоположения связи с АТФ - АДФ + P _я . Ниже находится более глубокая выемка, называемая «канавкой». В родном состоянии , несмотря на названия, оба имеют сопоставимую глубину.

Обычное соглашение в топологических исследованиях означает, что белок показан с наибольшим доменом слева и наименьшим доменом справа. В этом положении меньший домен, в свою очередь, делится на два: субдомен I (нижнее положение, остатки 1–32, 70–144 и 338–374) и субдомен II (верхнее положение, остатки 33–69). Более крупный домен также делится на два: субдомен III (нижний, остатки 145–180 и 270–337) и субдомен IV (верхний, остатки 181–269). Открытые области субдоменов I и III называются "зазубренными" концами, тогда как открытые области доменов II и IV называются "заостренными" концами. Эта номенклатура относится к тому факту, что из-за небольшой массы субдомена Актин II полярен, важность этого будет обсуждаться ниже при обсуждении динамики сборки.Некоторые авторы называют субдомены Ia, Ib, IIa и IIb соответственно.

Другие важные сооружения

Наиболее примечательной супервторичной структурой является пятицепочечный бета-лист, который состоит из β-меандра и блока β-α-β по часовой стрелке. Он присутствует в обоих доменах, что позволяет предположить, что белок возник в результате дупликации гена.

• Сайт связывания аденозиновых нуклеотидов расположен между двумя структурами в форме шпильки бета, относящимися к доменам I и III. Вовлеченные остатки представляют собой Asp11-Lys18 и Asp154-His161 соответственно.
• Сайт связывания двухвалентного катиона расположен чуть ниже, чем у аденозинового нуклеотида. In vivo он чаще всего образован Mg ²⁺ или Ca ^2+, тогда как in vitro он образован хелатирующей структурой, состоящей из Lys18 и двух атомов кислорода из α- и β- фосфатов нуклеотидов . Этот кальций координирован с шестью молекулами воды, которые удерживаются аминокислотами Asp11 , Asp154 и Gln137 . Они образуют комплекс с нуклеотидом, который ограничивает движения так называемой «шарнирной» области, расположенной между остатками 137 и 144. Это поддерживает нативную форму белка до тех пор, пока его удаление не денатурирует мономер актина. Эта область также важна, потому что она определяет, находится ли расщелина белка в «открытой» или «закрытой» конформации.
• Весьма вероятно, что есть по крайней мере три других центра с меньшим сродством (промежуточное звено) и еще другие с низким сродством к двухвалентным катионам. Было высказано предположение, что эти центры могут играть роль в полимеризации актина, действуя на стадии активации.
• В субдомене 2 есть структура, которая называется «D-петлей», потому что она связывается с ДНКазой I и расположена между остатками His40 и Gly48 . Он имеет вид неупорядоченного элемента в большинстве кристаллов, но он выглядит как β-лист, когда он находится в комплексе с ДНКазой I. Было высказано предположение, что ключевым событием полимеризации, вероятно, является распространение конформационных изменений из центр связи с нуклеотидом к этому домену, который изменяется от петли к спирали. Однако эта гипотеза была опровергнута другими исследованиями.

F-актин

F-актин; поверхностное представление повторения 13 субъединиц на основе модели актиновых филаментов Кена Холмса

Классическое описание F-актина утверждает, что он имеет нитевидную структуру, которую можно рассматривать как одноцепочечную левовращающую спираль с вращением на 166 ° вокруг оси спирали и осевое перемещение 27,5 Å , или одноцепочечную правовращающую спираль с расстояние между кроссоверами 350–380 Å, с каждым актином, окруженным еще четырьмя. Симметрия полимера актина на уровне 2,17 субъединиц на оборот спирали несовместима с образованием кристаллов , что возможно только при симметрии точно в 2, 3, 4 или 6 субъединиц на оборот. Следовательно, необходимо построить модели , объясняющие эти аномалии, используя данные электронной микроскопии , криоэлектронной микроскопии , кристаллизации димеров в различных положениях и дифракции рентгеновских лучей . Следует отметить, что говорить о «структуре» такой динамической молекулы, как актиновый филамент, некорректно. На самом деле мы говорим о различных структурных состояниях, в которых измерение осевой трансляции остается постоянным на уровне 27,5 Å, в то время как данные о вращении субъединицы демонстрируют значительную изменчивость с обычно наблюдаемыми смещениями до 10% от ее оптимального положения. Некоторые белки, такие как кофилин, по- видимому, увеличивают угол поворота, но опять же это можно интерпретировать как установление различных структурных состояний. Они могут быть важны в процессе полимеризации.

Меньшее согласие наблюдается в отношении измерений радиуса витка и толщины волокна: в то время как первые модели приписывали длину 25 Å, текущие данные дифракции рентгеновских лучей, подтвержденные криоэлектронной микроскопией, предполагают длину 23,7 Å. Эти исследования показали точные точки контакта между мономерами. Некоторые из них состоят из звеньев одной и той же цепи между «зазубренным» концом одного мономера и «заостренным» концом следующего. В то время как мономеры в соседних цепях образуют латеральный контакт через выступы субдомена IV, причем наиболее важными выступами являются выступы, образованные С-концом и гидрофобной связью, образованной тремя телами, включающими остатки 39–42, 201–203 и 286. Это Модель предполагает, что филамент образован мономерами в виде «листовой» формации, в которой субдомены вращаются вокруг себя, эта форма также обнаруживается в бактериальном гомологе актина MreB .

Считается, что полимер F-актина имеет структурную полярность из-за того, что все субъединицы микрофиламента указывают на один и тот же конец. Это приводит к соглашению об именах: конец, который содержит субъединицу актина, у которой открыт сайт связывания АТФ, называется «(-) концом», тогда как противоположный конец, где щель направлена ​​на другой соседний мономер, называется « (+) конец ». Термины «заостренный» и «зазубренный», относящиеся к двум концам микрофиламентов, происходят от их внешнего вида при просвечивающей электронной микроскопии, когда образцы исследуются в соответствии с техникой подготовки, называемой «декорирование». Этот метод заключается в добавлении фрагментов миозина S1 к ткани, фиксированной дубильной кислотой . Этот миозин образует полярные связи с мономерами актина, создавая конфигурацию, которая выглядит как стрелы с оперением пера вдоль его стержня, где стержень - актин, а оперение - миозин. Следуя этой логике, конец микрофиламента, на котором нет выступающего миозина, называется острием стрелки (- конец), а другой конец - зазубренным концом (+ конец). Фрагмент S1 состоит из головного и шейного доменов миозина II . В физиологических условиях G-актин ( мономерная форма) превращается в F-актин ( полимерная форма) под действием АТФ, где роль АТФ важна.

Спиральная нить F-актина, обнаруженная в мышцах, также содержит молекулу тропомиозина , которая представляет собой белок длиной 40 нанометров , обернутый вокруг спирали F-актина. Во время фазы покоя тропомиозин покрывает активные участки актина, так что взаимодействие актин-миозин не может происходить и вызывать сокращение мышц. Есть и другие белковые молекулы , св занных с тропомиозин нити, эти тропонин , которые имеют три полимеров: тропонин I , тропонин Т и тропонин C .

Складной

Лента модель , полученная с использованием PyMOL программы на crystallographs ( PDB : 2ZDI ) из prefoldin белков найдена в Архейском Pyrococcus horikoshii . Шесть сверхвторичных структур присутствуют в виде спиральной спирали, «свисающей» с центральных бета-цилиндров . Они часто сравнивают в литературе к щупальцами одного медуз . Насколько видно с помощью электронной микроскопии , эукариотический префолдин имеет аналогичную структуру.

Актин может самопроизвольно приобретать большую часть своей третичной структуры . Однако способ, которым он приобретает свою полностью функциональную форму из вновь синтезированной нативной формы, является особенным и почти уникальным в химии белков. Причиной этого особого пути может быть необходимость избежать присутствия неправильно свернутых мономеров актина, которые могут быть токсичными, поскольку они могут действовать как неэффективные терминаторы полимеризации. Тем не менее, это ключ к установлению стабильности цитоскелета, и, кроме того, это важный процесс для координации клеточного цикла .

CCT требуется для обеспечения правильного складывания. CCT - это шаперонин группы II, большой белковый комплекс, который помогает в сворачивании других белков. CCT состоит из двойного кольца из восьми различных субъединиц (гетерооктамерных), и он отличается от шаперонинов группы I, таких как GroEL , который содержится в Eubacteria и эукариотических органеллах, поскольку не требует, чтобы ко-шаперон действовал как крышка. над центральной каталитической полостью. Субстраты связываются с CCT через определенные домены. Первоначально считалось, что он связывается только с актином и тубулином , хотя недавние исследования иммунопреципитации показали, что он взаимодействует с большим количеством полипептидов , которые, возможно, действуют как субстраты . Он действует через АТФ-зависимые конформационные изменения, которые иногда требуют нескольких раундов высвобождения и катализа для завершения реакции.

Чтобы успешно завершить свое сворачивание, и актин, и тубулин должны взаимодействовать с другим белком, называемым префолдин , который представляет собой гетерогексамерный комплекс (образованный шестью отдельными субъединицами), во взаимодействии, которое настолько специфично, что молекулы эволюционировали совместно . Актин объединяется с префолдином, пока он все еще формируется, когда он составляет примерно 145 аминокислот , особенно на N-конце.

Для актина или тубулина используются разные субъединицы распознавания, хотя есть некоторые совпадения. В актине субъединицы, которые связываются с префолдином, вероятно, представляют собой PFD3 и PFD4, которые связываются в двух местах: одно между остатками 60–79 и другое между остатками 170–198. Актин распознается, загружается и доставляется к цитозольному шаперонину (CCT) в открытой конформации внутренним концом «щупалец» префолдина (см. Изображение и примечание). Контакт при доставке актина настолько краток, что возникает третичный комплекс не образуется, сразу высвобождая префолдин.

Ленточная модель апикального γ-домена шаперонина CCT

Затем CCT вызывает последовательное сворачивание актина, образуя связи с его субъединицами, а не просто заключая его в свою полость. Вот почему он обладает специфическими участками узнавания в апикальном β-домене. Первый этап сворачивания 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 связываются во время каждого конформационного изменения, тогда как в случае тубулина связывание происходит с четырьмя субъединицами. Актин имеет специфические связывающие последовательности, которые взаимодействуют с субъединицами δ и β-CCT или с δ-CCT и ε-CCT. После связывания AMP-PNP с CCT субстраты перемещаются в полости шаперонина. Также кажется, что в случае актина белок CAP необходим как возможный кофактор в конечных состояниях фолдинга актина.

Точный способ, которым регулируется этот процесс, до сих пор полностью не изучен, но известно, что белок PhLP3 (белок, подобный фосдуцину ) ингибирует его активность за счет образования третичного комплекса.

Каталитический механизм АТФазы

Актин - это АТФаза , что означает, что это фермент , гидролизующий АТФ. Эта группа ферментов характеризуется медленной скоростью реакции. Известно, что эта АТФаза «активна», то есть ее скорость увеличивается примерно в 40 000 раз, когда актин образует часть филамента. Контрольное значение этой скорости гидролиза в идеальных условиях составляет около 0,3 с ^-1 . Затем P _i остается связанным с актином рядом с ADP в течение долгого времени, пока он совместно не высвобождается из внутренней части филамента.

Точные молекулярные детали каталитического механизма до сих пор полностью не изучены. Хотя по этому поводу ведется много споров, очевидно, что для гидролиза АТФ требуется «закрытая» конформация, и считается, что вовлеченные в процесс остатки перемещаются на соответствующее расстояние. Глутаминовая кислота Glu137 является одним из ключевых остатков, который находится в подобласти 1. Его функция заключается в связывании молекулы воды , которая производит нуклеофильную атаку на γ-фосфат в АТФ связи , в то время как нуклеотид сильно связан с субдоменами 3 и 4 Медленность каталитического процесса обусловлена ​​большим расстоянием и перекосом положения молекулы воды по отношению к реагенту. Весьма вероятно, что конформационные изменения, вызываемые вращением доменов между формами G и F актина, перемещают Glu137 ближе, обеспечивая его гидролиз. Эта модель предполагает, что полимеризация и функция АТФазы будут разделены сразу. Преобразование «открытое» в «закрытое» между формами G и F и его влияние на относительное движение нескольких ключевых остатков и образование водяных нитей было охарактеризовано в молекулярной динамике и моделировании QM / MM .

Генетика

Основные взаимодействия структурных белков происходят в адгезивных соединениях на основе кадгерина . Актиновые филаменты связаны с α- актинином и с мембраной через винкулин . Головной домен винкулина связывается с E-кадгерином через α-катенин , β-катенин и γ-катенин . Хвостовой домен винкулина связывается с липидами мембран и филаментами актина.

Актин был одним из наиболее консервативных белков на протяжении всей эволюции, поскольку он взаимодействует с большим количеством других белков. Он имеет 80,2% -ную консервацию последовательности на уровне гена между Homo sapiens и Saccharomyces cerevisiae (разновидность дрожжей) и 95% -ную консервацию первичной структуры белкового продукта.

Хотя у большинства дрожжей есть только один ген актина, высшие эукариоты , как правило, экспрессируют несколько изоформ актина, кодируемых семейством родственных генов. У млекопитающих есть по крайней мере шесть изоформ актина, кодируемых отдельными генами, которые делятся на три класса (альфа, бета и гамма) в соответствии с их изоэлектрическими точками . В целом, альфа-актины обнаруживаются в мышцах (α-скелет, α-гладкая аорта, α-сердечная), тогда как бета- и гамма-изоформы заметны в немышечных клетках (β-цитоплазматические, γ1-цитоплазматические, γ2-кишечные гладкие). . Хотя аминокислотные последовательности и свойства изоформ in vitro очень похожи, эти изоформы не могут полностью заменять друг друга in vivo .

Типичный ген актина имеет приблизительно 100-нуклеотидную 5'-UTR , 1200-нуклеотидную транслируемую область и 200-нуклеотидную 3'-UTR . Большинство генов актина прерваны интронами , до шести интронов в любом из 19 хорошо охарактеризованных мест. Высокая сохранность семейства делает актин предпочтительной моделью для исследований, сравнивающих интрон-раннюю и интрон-позднюю модели эволюции интрона.

Все несферические прокариоты, по- видимому, обладают такими генами, как MreB , которые кодируют гомологи актина; эти гены необходимы для сохранения формы клетки. Плазмиду -derived ген кодирует PARM актина-подобный белок, полимеризует форма динамически неустойчив , и , как представляется , разделить плазмидную ДНК в свои дочерние клетки при делении клеток по механизму , аналогичным способу, применяемых микротрубочками в эукариотическом митозе . Актин содержится как в гладкой, так и в шероховатой эндоплазматической сети.

Динамика сборки

Зарождение зародышей и полимеризация

Образование тонких нитей, показывающих механизм полимеризации для превращения G-актина в F-актин; обратите внимание на гидролиз АТФ.

Факторы зародышеобразования необходимы для стимуляции полимеризации актина. Одним из таких факторов зародышеобразования является комплекс Arp2 / 3 , который имитирует димер G-актина, чтобы стимулировать зародышеобразование (или образование первого тримера) мономерного G-актина. Комплекс Arp2 / 3 связывается с актиновых филаментов на 70 градусов , чтобы сформировать новые актиновые ветви с существующей актиновых филаментов. Arp2 / 3-опосредованная нуклеация необходима для направленной миграции клеток. Кроме того, актиновые филаменты сами связывают АТФ, и гидролиз этого АТФ стимулирует дестабилизацию полимера.

Рост актиновых филаментов может регулироваться тимозином и профилином . Тимозин связывается с G-актином, чтобы буферизовать процесс полимеризации, в то время как профилин связывается с G-актином, чтобы обменивать АДФ на АТФ , способствуя присоединению мономера к зазубренным плюс концам филаментов F-актина.

F-актин одновременно силен и динамичен. В отличие от других полимеров , таких как ДНК , составляющие элементы которой связаны 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 разрушены при тепловом перемешивании. Кроме того, слабые связи дают то преимущество, что концы волокон могут легко высвобождать или включать мономеры. Это означает, что филаменты могут быстро перестраиваться и изменять клеточную структуру в ответ на раздражитель окружающей среды. Что, наряду с биохимическим механизмом, с помощью которого это происходит, известно как «динамика сборки».

В пробирке исследования

Исследования, посвященные накоплению и потере субъединиц микрофиламентами, проводятся in vitro (то есть в лаборатории, а не в клеточных системах), поскольку полимеризация образующегося актина приводит к тому же F-актину, который продуцируется in vivo . Процесс in vivo контролируется множеством белков, чтобы заставить его реагировать на потребности клеток, что затрудняет соблюдение его основных условий.

Производство in vitro происходит последовательно: сначала идет «фаза активации», когда связывание и обмен двухвалентных катионов происходит в определенных местах на G-актине, который связан с АТФ. Это вызывает конформационное изменение, иногда называемое мономером G * -актина или F-актина, поскольку оно очень похоже на единицы, расположенные на филаменте. Это подготавливает его к «фазе зародышеобразования», в которой G-актин дает начало небольшим нестабильным фрагментам F-актина, которые способны полимеризоваться. Первоначально образуются нестабильные димеры и тримеры. «Фаза удлинения» начинается, когда имеется достаточно большое количество этих коротких полимеров. В этой фазе филамент формируется и быстро растет за счет обратимого добавления новых мономеров на обоих крайних участках. Наконец, достигается стационарное равновесие, при котором мономеры G-актина обмениваются на обоих концах микрофиламента без какого-либо изменения его общей длины. На этой последней фазе «критическая концентрация C _c » определяется как отношение между константой сборки и константой диссоциации для G-актина, где динамика добавления и удаления димеров и тримеров не приводит к изменению длины микрофиламента. . В условиях in vitro C _c составляет 0,1 мкМ, что означает, что при более высоких значениях происходит полимеризация, а при более низких значениях - деполимеризация.

Роль гидролиза АТФ

Как указано выше, хотя актин гидролизует АТФ, все указывает на тот факт, что АТФ не требуется для сборки актина, учитывая, что, с одной стороны, гидролиз в основном происходит внутри филамента, а с другой стороны, АДФ также может вызвать полимеризацию. Это ставит вопрос о том, какой термодинамически неблагоприятный процесс требует таких огромных затрат энергии . Цикл актина, который связывает гидролиз АТФ с полимеризацией актина, состоит из предпочтительного добавления мономеров G-актин-АТФ к зазубренному концу филамента и одновременной разборки мономеров F-актин-АДФ на заостренном конце, где впоследствии находится АДФ. превратился в АТФ, тем самым замкнув цикл. Этот аспект образования актиновых филаментов известен как «беговая дорожка».

АТФ относительно быстро гидролизуется сразу после добавления мономера G-актина к филаменту. Есть две гипотезы относительно того, как это происходит; стохастическая , который предполагает , что гидролиз случайным образом происходит таким способом , который каким - либо образом под влиянием соседних молекул; и векторный, который предполагает, что гидролиз происходит только рядом с другими молекулами, АТФ которых уже гидролизован. В любом случае результирующий P _i не высвобождается; он остается в течение некоторого времени нековалентно связанным с АДФ актина. Таким образом, в филаменте есть три вида актина: АТФ-актин, АДФ + Р _i -актин и АДФ-актин. Количество каждого из этих видов, присутствующих в филаменте, зависит от его длины и состояния: когда начинается удлинение, филамент имеет примерно равное количество мономеров актина, связанных с АТФ и АДФ + P _i, и небольшое количество АДФ- актина на концах филамента. (-) конец. Когда достигается стационарное состояние, ситуация меняется на противоположную: АДФ присутствует вдоль большей части филамента и только в области, ближайшей к (+) концу, содержащей АДФ + Р _i, а АТФ присутствует только на конце.

Если мы сравним филаменты, которые содержат только АДФ-актин, с филаментами, содержащими АТФ, в первом случае критические константы одинаковы на обоих концах, в то время как C _c для двух других нуклеотидов отличается: на (+) конце Cc ⁺ = 0,1 мкМ, а на (-) конце Cc ^- = 0,8 мкМ, что приводит к следующим ситуациям:

• При концентрациях G-актин-АТФ ниже Cc ⁺ удлинение нити не происходит.
• Для концентраций G-актин-АТФ меньше, чем Cc ^-, но больше, чем Cc ^+, удлинение происходит на (+) конце.
• Для концентрации G-актин-АТФ больше , чем Cc ^- микрофиламенты растут на обоих концах.

Следовательно, можно сделать вывод, что энергия, производимая гидролизом, используется для создания истинного «стационарного состояния», то есть потока, вместо простого равновесия, которое является динамическим, полярным и прикрепленным к нити. Это оправдывает затраты энергии, поскольку способствует жизненно важным биологическим функциям. Кроме того, конфигурация различных типов мономеров определяется белками, связывающими актин, которые также контролируют этот динамизм, как будет описано в следующем разделе.

Было обнаружено, что образование микрофиламентов при беговой дорожке нетипично для стереоцилий . В этом случае контроль размера структуры полностью апикальный и каким-то образом контролируется экспрессией генов, то есть общим количеством белкового мономера, синтезируемого в любой данный момент.

Связанные белки

Комплекс актин (зеленый) - профилин (синий). Показанный профилин относится ко II группе и обычно присутствует в почках и головном мозге .

Актиновый цитоскелет in vivo состоит не только из актина, для его образования, поддержания и функционирования необходимы другие белки. Эти белки называются актин-связывающими белками (ABP), и они участвуют в полимеризации актина, деполимеризации, стабильности, организации в пучки или сети, фрагментации и разрушении. Разнообразие этих белков таково, что актин считается белком, который принимает участие в наибольшем количестве белок-белковых взаимодействий . Например, существуют элементы, изолирующие G-актин, которые препятствуют его включению в микрофиламенты. Есть также белки, которые стимулируют его полимеризацию или усложняют синтезирующие сети.

• Тимозин β-4 представляет собой белок 5 кДа, который может связываться с G-актин-АТФ в стехиометрии 1: 1 ; Это означает, что одна единица тимозина β-4 связывается с одной единицей G-актина. Его роль состоит в том, чтобы препятствовать включению мономеров в растущий полимер.
• Профилин представляет собой цитозольный белок с молекулярной массой 15 кДа, который также связывается с G-актин-АТФ или -АДФ со стехиометрией 1: 1, но он выполняет другую функцию, поскольку способствует замене нуклеотидов АДФ на АТФ. . Он также участвует в других клеточных функциях, таких как связывание повторов пролина в других белках или липидов, которые действуют как вторичные мессенджеры .

Белок гелзолин , который является ключевым регулятором сборки и разборки актина. Он имеет шесть субдоменов, S1-S6, каждый из которых состоит из пятицепочечного β-листа, фланкированного двумя α-спиралями , одна из которых расположена перпендикулярно нитям, а другая - в параллельном положении. И N-концевой конец (S1-S3), и C-концевой конец (S4-S6) образуют расширенный β-лист.

Другие белки, которые связываются с актином, регулируют длину микрофиламентов, разрезая их, что дает начало новым активным концам для полимеризации. Например, если двухконечную микрофиламент разрезать дважды, получится три новых микрофиламента с шестью концами. Эта новая ситуация способствует динамике сборки и разборки. Наиболее заметными из этих белков являются гельсолин и кофилин . Эти белки сначала достигают разреза путем связывания с мономером актина, находящимся в полимере, затем они изменяют конформацию мономера актина, оставаясь связанными с вновь образованным (+) концом. Это препятствует добавлению или обмену новых субъединиц G-актина. Деполимеризация приветствуется, поскольку (-) концы не связаны с какой-либо другой молекулой.

Другие белки, которые связываются с актином, покрывают концы F-актина, чтобы стабилизировать их, но они не могут их разрушить. Примерами этого типа белка являются CapZ , который связывает (+) концы в зависимости от уровня Ca ²⁺ / кальмодулина в клетке . Эти уровни зависят от внутренних и внешних сигналов клетки и участвуют в регуляции ее биологических функций). Другой пример - тропомодулин (связывающийся с (-) концом). Тропомодулин в основном действует для стабилизации F-актина, присутствующего в миофибриллах, присутствующих в мышечных саркомерах , структурах, характеризующихся большой стабильностью.

Атомная структура Arp2 / 3. Каждому цвету соответствует субъединица: Arp3, оранжевый; Arp2, цвет морской волны (субъединицы 1 и 2 не показаны); п40, зеленый; p34, голубой; p20, темно-синий; p21, пурпурный; п16, жёлтый.

Комплекс Arp2 / 3 широко встречаются во всех эукариотических организмах. Он состоит из семи субъединиц, некоторые из которых обладают топологией, которая явно связана с их биологической функцией: две субъединицы, ARP2 и ARP3, имеют структуру, аналогичную структуре мономеров актина. Эта гомология позволяет обеим единицам действовать как агенты зародышеобразования при полимеризации G-актина и F-актина. Этот комплекс также необходим в более сложных процессах, таких как создание дендритных структур, а также при анастомозе (повторное соединение двух ветвящихся структур, которые были ранее соединены, например, в кровеносных сосудах).

Химические ингибиторы

Химическая структура фаллоидина

Существует ряд токсинов, которые влияют на динамику актина, предотвращая его полимеризацию ( латрункулин и цитохалазин D ) или стабилизируя его ( фаллоидин ):

• Латрункулин - это токсин, вырабатываемый губками . Он связывается с G-актином, предотвращая его связывание с микрофиламентами.
• Цитохалазин D - это алкалоид, продуцируемый грибами , который связывается с (+) концом F-актина, предотвращая добавление новых мономеров. Было обнаружено, что цитохалазин D нарушает динамику актина, активируя белок p53 у животных.
• Фаллоидин - это токсин, который был выделен из грибка «смертельная шапка» Amanita phalloides . Он связывается с поверхностью раздела между соседними мономерами актина в полимере F-актина, предотвращая его деполимеризацию.

Функции и расположение

Актин образует филаменты («F-актин» или микрофиламенты ) - важные элементы эукариотического цитоскелета , способные претерпевать очень быструю динамику полимеризации и деполимеризации. В большинстве клеток актиновые филаменты образуют крупномасштабные сети, которые необходимы для многих ключевых функций клеток:

• Различные типы актиновых сетей (состоящие из актиновых нитей) обеспечивают механическую поддержку клеткам и обеспечивают маршруты транспортировки через цитоплазму, чтобы способствовать передаче сигнала.
• Быстрая сборка и разборка актиновой сети позволяет клеткам мигрировать ( миграция клеток ).
• В мышечных клетках многоклеточных животных быть каркасом, на котором белки миозина генерируют силу для поддержки сокращения мышц.
• В немышечных клетках - путь для грузовых транспортных миозинов (нетрадиционных миозинов), таких как миозин V и VI. Нетрадиционные миозины используют гидролиз АТФ для транспортировки грузов, таких как везикулы и органеллы, направленным образом, намного быстрее, чем диффузия. Миозин V идет к зазубренному концу актиновых волокон, а миозин VI идет к заостренному концу. Большинство актиновых филаментов расположены зазубренным концом в направлении клеточной мембраны, а заостренным концом - внутрь клетки. Такое расположение позволяет миозину V быть эффективным двигателем для экспорта грузов, а миозину VI - эффективным двигателем для импорта.

Белок актин находится как в цитоплазме, так и в ядре клетки . Его расположение регулируется путями передачи сигнала клеточной мембраны, которые интегрируют стимулы, которые клетка получает, стимулируя в ответ реструктуризацию актиновых сетей. У Dictyostelium было обнаружено , что фосфолипаза D вмешивается в инозитолфосфатные пути. Актиновые нити особенно стабильны и многочисленны в мышечных волокнах . В саркомере (основная морфологическая и физиологическая единица мышечных волокон) актин присутствует как в I, так и в A-полосах; миозин также присутствует в последнем.

Цитоскелет

Флуоресцентная микрофотография, показывающая F-актин (зеленый) в фибробластах крысы

Микрофиламенты участвуют в движении всех мобильных клеток, включая немышечные типы, и лекарства, которые нарушают организацию F-актина (например, цитохалазины ), влияют на активность этих клеток. Актин составляет 2% от общего количества белков в гепатоцитах , 10% в фибробластах , 15% в амебах и до 50–80% в активированных тромбоцитах . Есть несколько разных типов актина с немного разными структурами и функциями. Это означает, что α-актин находится исключительно в мышечных волокнах , тогда как типы β и γ обнаруживаются в других клетках. Кроме того, поскольку последние типы имеют высокую текучесть кадров, большинство из них находится за пределами постоянных построек. Это означает, что микрофиламенты, обнаруженные в клетках, отличных от мышечных, представлены в трех формах:

• Микрофиламентных сети - клетки животных обычно имеют корку клеток под клеточной мембраной , которая содержит большое количество микрофиламентов, что исключает наличие органелл . Эта сеть связана с многочисленными рецепторными клетками, которые передают сигналы за пределы клетки.

Объединенный набор конфокальных изображений, показывающих актиновые филаменты внутри клетки. Изображение имеет цветовую кодировку по оси z, чтобы показать на двухмерном изображении, на какой высоте нити могут быть найдены внутри ячеек.

• Пучки микрофиламентов - эти чрезвычайно длинные микрофиламенты расположены в сетях и, в сочетании с сократительными белками, такими как немышечный миозин , они участвуют в перемещении веществ на внутриклеточном уровне.
• Периодические актиновые кольца. Недавно было обнаружено, что периодическая структура, состоящая из равномерно расположенных актиновых колец, специфически существует в аксонах (не в дендритах ). В этой структуре кольца актина вместе с тетрамерами спектрина, которые связывают соседние кольца актина, образуют сплоченный цитоскелет, который поддерживает мембрану аксона. Периодичность структуры может также регулировать каналы ионов натрия в аксонах.

Дрожжи

Цитоскелет актина играет ключевую роль в процессах эндоцитоза , цитокинеза , определения полярности клеток и морфогенеза у дрожжей . Помимо опоры на актин, в эти процессы вовлечены 20 или 30 ассоциированных белков, которые все обладают высокой степенью эволюционной консервативности, наряду со многими сигнальными молекулами. Вместе эти элементы обеспечивают пространственно и временно модулированную сборку, которая определяет реакцию клетки как на внутренние, так и на внешние раздражители.

Дрожжи содержат три основных элемента, связанных с актином: пятна, кабели и кольца, которые, несмотря на то, что не присутствуют в течение длительного времени, находятся в состоянии динамического равновесия из-за непрерывной полимеризации и деполимеризации. Они обладают рядом дополнительных белков, включая ADF / кофилин, который имеет молекулярную массу 16 кДа и кодируется одним геном, называемым COF1 ; Aip1, кофактор кофилина, который способствует разборке микрофиламентов; Srv2 / CAP, регулятор процесса, связанный с белками аденилатциклазы ; профилин с молекулярной массой приблизительно 14 кДа, родственный / связанный с мономерами актина; и твинфилин, белок 40 кДа, участвующий в организации пятен.

Растения

Исследования генома растений выявили существование изовариантов белков в семействе генов актина. Внутри Arabidopsis thaliana , двудольного растения, используемого в качестве модельного организма , существует десять типов актина, девять типов α-тубулинов, шесть β-тубулинов, шесть профилинов и десятки миозинов. Это разнообразие объясняется эволюционной необходимостью обладать вариантами, немного различающимися по своему временному и пространственному выражению. Большинство этих белков совместно экспрессировались в анализируемой ткани . Актиновые сети распределены по цитоплазме клеток, культивированных in vitro . Существует концентрация сети вокруг ядра, которая соединена спицами с клеточной корой, эта сеть очень динамична, с непрерывной полимеризацией и деполимеризацией.

Структура C-концевого субдомена виллина , белка, способного расщеплять микрофиламенты.

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

Наиболее известные белки, связанные с актиновым цитоскелетом у растений, включают: виллин , который принадлежит к тому же семейству, что и гельсолин / северин, и способен разрезать микрофиламенты и связывать мономеры актина в присутствии катионов кальция; фимбрин , который способен распознавать и объединять мономеры актина и который участвует в образовании сетей (посредством процесса регуляции, отличного от такового у животных и дрожжей); формины , которые способны действовать как зародышеобразователь полимеризации F-актина; миозин , типичный молекулярный мотор, который специфичен для эукариот и который у Arabidopsis thaliana кодируется 17 генами двух различных классов; CHUP1, который может связывать актин и участвует в пространственном распределении хлоропластов в клетке; KAM1 / MUR3, которые определяют морфологию аппарата Гольджи, а также состав ксилоглюканов в клеточной стенке; NtWLIM1, который способствует появлению актиновых клеточных структур; и ERD10, который участвует в ассоциации органелл внутри мембран и микрофиламентов и, 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, полученной из ооцитов Xenopus laevis , который демонстрирует те же характеристики, что и актин скелетных мышц. С того времени появилось множество научных отчетов о структуре и функциях актина в ядре (см. Обзор: Hofmann 2009). Контролируемый уровень актина в ядре, его взаимодействие с актин-связывающими белками (ABP) и присутствие различных изоформ позволяет актину играть важную роль во многих важных ядерных процессах.

Транспорт актина через ядерную мембрану

Последовательность актина не содержит сигнала ядерной локализации. Небольшой размер актина (около 43 кДа) позволяет ему проникать в ядро ​​путем пассивной диффузии. Однако актин довольно быстро перемещается между цитоплазмой и ядром, что указывает на наличие активного транспорта. Импорт актина в ядро ​​(вероятно, в комплексе с cofilin) ​​облегчается импортируемым белком importin 9.

Низкий уровень актина в ядре кажется очень важным, потому что актин имеет два сигнала экспорта из ядра (NES) в своей последовательности. Микроинъектированный актин быстро выводится из ядра в цитоплазму. Актин экспортируется, по крайней мере, двумя способами: через экспорт 1 (EXP1) и экспорт 6 (Exp6).

Конкретные модификации, такие как SUMOylation, позволяют удерживать ядерный актин. Было продемонстрировано, что мутация, предотвращающая SUMOylation, вызывает быстрый экспорт бета-актина из ядра.

На основании экспериментальных результатов можно предложить общий механизм ядерного транспорта актина:

• В цитоплазме кофилин связывает мономеры АДФ-актина. Этот комплекс активно импортируется в ядро.
• Более высокая концентрация АТФ в ядре (по сравнению с цитоплазмой) способствует обмену АДФ на АТФ в комплексе актин-кофилин. Это ослабляет силу связывания этих двух белков.
• Комплекс кофилин-актин окончательно диссоциирует после фосфорилирования кофилина ядерной киназой LIM.
• Актин СУМОилирован и в этой форме сохраняется внутри ядра.
• Актин может образовывать комплексы с профилином и покидать ядро ​​через экспортин 6.

Организация ядерного актина

Ядерный актин существует в основном в виде мономера, 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 нити можно наблюдать под микроскопом благодаря окрашиванию фаллоидином, конъюгированным с флуорофором.

Однако в ядрах соматических клеток актиновые филаменты нельзя наблюдать с помощью этой техники. Анализ ингибирования ДНКазы I, пока единственный тест, позволяющий количественно определять полимеризованный актин непосредственно в биологических образцах, показал, что эндогенный ядерный актин действительно существует в основном в мономерной форме.

Точно контролируемый уровень актина в ядре клетки, более низкий, чем в цитоплазме, предотвращает образование нитей. Полимеризация также снижается из-за ограниченного доступа к мономерам актина, которые связаны в комплексы с ABP, в основном с кофилином.

Изоформы актина в ядре клетки

Изоформам актина уделяется мало внимания; однако было показано, что в ядре клетки присутствуют разные изоформы актина. Изоформы актина, несмотря на их высокое сходство последовательностей, обладают разными биохимическими свойствами, такими как кинетика полимеризации и деполимеризации. Также они показывают разную локализацию и функции.

Уровень изоформ актина как в цитоплазме, так и в ядре может изменяться, например, в ответ на стимуляцию роста клеток или остановку пролиферации и транскрипционной активности.

Проблемы, связанные с ядерным актином, обычно связаны с бета-изоформой. Однако использование антител, направленных против различных изоформ актина, позволяет идентифицировать не только цитоплазматический бета в ядре клетки, но также:

• гамма-актин в ядрах клеток меланомы человека,
• альфа-актин скелетных мышц в ядрах миобластов мыши,
• цитоплазматический гамма-актин, а также альфа-актин гладких мышц в ядре фибробласта эмбриональной мыши

Присутствие различных изоформ актина может существенно влиять на его функцию в ядерных процессах, особенно потому, что уровень отдельных изоформ можно контролировать независимо.

Ядерные функции актина

Функции актина в ядре связаны с его способностью к полимеризации и взаимодействию с различными ABP и структурными элементами ядра. Ядерный актин участвует в:

• Архитектура ядра. Взаимодействие актина с альфа II-спектрином и другими белками важно для поддержания правильной формы ядра.
• Транскрипция - Актин участвует в реорганизации хроматина, инициации транскрипции и взаимодействии с комплексом транскрипции. Актин принимает участие в регуляции структуры хроматина, взаимодействуя с РНК-полимеразой I, II и III. В транскрипции Pol I актин и миозин ( MYO1C , который связывает ДНК) действуют как молекулярный двигатель . Для транскрипции Pol II β-актин необходим для образования преинициативного комплекса. Pol III содержит β-актин в качестве субъединицы. Актин также может быть компонентом комплексов ремоделирования хроматина, а также частиц пре-мРНП (т. Е. Предшественников матричной РНК, связанной с белками), и участвует в ядерном экспорте РНК и белков.
• Регуляция активности генов - Актин связывается с регуляторными областями различных типов генов. Способность актина регулировать активность генов используется в методе молекулярного репрограммирования, который позволяет дифференцированным клеткам возвращаться в их эмбриональное состояние.
• Транслокация активированного фрагмента хромосомы из-под мембраны в эухроматин, где начинается транскрипция. Это движение требует взаимодействия актина и миозина.
• Интеграция разных клеточных компартментов . Актин - это молекула, которая объединяет пути передачи цитоплазматических и ядерных сигналов. Примером может служить активация транскрипции в ответ на сывороточную стимуляцию клеток in vitro .
• Иммунный ответ - ядерный актин полимеризуется при стимуляции Т-клеточного рецептора и необходим для экспрессии цитокинов и продукции антител in vivo .

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

Сокращение мышц

Строение саркомера , основной морфологической и функциональной единицы скелетных мышц, которая содержит актин.

Очертание мышечного сокращения

В мышечных клетках миофибриллы актомиозина составляют большую часть цитоплазматического материала. Эти миофибриллы состоят из тонких нитей актина (обычно диаметром около 7 нм) и толстых нитей моторного белка миозина (обычно диаметром около 15 нм). Эти миофибриллы используют энергию, полученную из АТФ, для создания движений клеток, таких как сокращение мышц . Используя гидролиз АТФ для получения энергии, миозиновые головки проходят цикл, в течение которого они прикрепляются к тонким нитям, создают напряжение, а затем, в зависимости от нагрузки, выполняют силовой удар, который заставляет тонкие волокна скользить мимо, укорачивая мышцу.

В сократительных пучках связывающий актин белок альфа- актинин разделяет каждую тонкую нить на ≈35 нм. Это увеличение расстояния позволяет толстым нитям вставляться между ними и взаимодействовать, обеспечивая деформацию или сжатие. При деформации один конец миозина связан с плазматической мембраной , в то время как другой конец «идет» к положительному концу актиновой нити. Это придает мембране форму, отличную от формы коры клетки . Для сокращения молекула миозина обычно связана с двумя отдельными филаментами, и оба конца одновременно «идут» к плюсовому концу своей филамента, сдвигая актиновые филаменты ближе друг к другу. Это приводит к укорачиванию или сокращению актинового пучка (но не филамента). Этот механизм отвечает за сокращение мышц и цитокинез - деление одной клетки на две.

Роль актина в сокращении мышц

Спиральная нить F-актина, обнаруженная в мышцах, также содержит молекулу тропомиозина , 40- нанометровый белок, который обернут вокруг спирали F-актина. Во время фазы покоя тропомиозин покрывает активные участки актина, так что взаимодействие актин-миозин не может происходить и вызывать мышечное сокращение (взаимодействие вызывает движение между двумя белками, которое, поскольку оно повторяется много раз, вызывает сокращение) . Есть и другие белковые молекулы , св занных с тропомиозином нити, они включают тропонин , которые имеют три полимеров: тропонин I , тропонин Т и тропонин C . Регуляторная функция тропомиозина зависит от его взаимодействия с тропонином в присутствии ионов Са ²⁺ .

И актин, и миозин участвуют в сокращении и расслаблении мышц и составляют 90% мышечного белка. Общий процесс запускается внешним сигналом, обычно через потенциал действия, стимулирующий мышцу, которая содержит специализированные клетки, внутренняя часть которых богата актиновыми и миозиновыми филаментами. Цикл сокращения-расслабления состоит из следующих этапов:

1. Деполяризация сарколеммы и передача потенциала действия через Т-канальцы .
2. Открытие саркоплазматического ретикулума «ы Ca ²⁺ каналов.
3. Увеличение цитозольных Ca ²⁺ концентрации и взаимодействие этих катионов с тропониным вызывая конформационные изменения в его структуре . Это, в свою очередь, изменяет структуру тропомиозина, который покрывает активный центр актина, позволяя формировать перекрестные связи миозин-актин (последние представлены в виде тонких нитей).
4. Движение миозиновых головок по тонким филаментам может происходить либо с участием АТФ, либо независимо от АТФ. Первый механизм, опосредованный активностью АТФазы в головках миозина, вызывает движение актиновых филаментов к Z-диску .
5. Захват Ca ²⁺ саркоплазматической сетью, вызывая новое конформационное изменение тропомиозина, которое ингибирует взаимодействие актин-миозин.

Другие биологические процессы

Воспроизвести медиа

Флуоресцентная визуализация динамики актина во время первого деления эмбриональных клеток C. elegans . Во-первых, актиновые филаменты собираются в верхней части клетки, тем самым внося вклад в асимметричное деление клетки . Затем через 10 с можно наблюдать образование сократительного актинового кольца.

Традиционный образ функции актина связывает его с поддержанием цитоскелета и, следовательно, с организацией и движением органелл, а также с определением формы клетки. Однако актин играет более широкую роль в физиологии эукариотических клеток, помимо аналогичных функций у прокариот .

• Цитокинез . Деление клеток животных и дрожжей обычно включает разделение родительской клетки на две дочерние клетки посредством сужения центральной окружности. В этом процессе участвует сужающееся кольцо, состоящее из актина, миозина, анилина и α-актинина . У делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe актин активно образуется в сужающем кольце с участием Arp3 , формина Cdc12, профилина и WASp вместе с предварительно сформированными микрофиламентами. Как только кольцо построено, структура поддерживается за счет непрерывной сборки и разборки, которая при помощи комплекса Arp2 / 3 и форминов является ключом к одному из центральных процессов цитокинеза. Совокупность сократительного кольца, веретенообразного аппарата , микротрубочек и плотного периферического материала называется «телом Флеминга» или «промежуточным телом».
• Апоптоз . Во время запрограммированной гибели клеток семейство протеаз ICE / ced-3 (одна из протеаз-конвертеров интерлейкин-1β) расщепляет актин на два фрагмента in vivo ; один из фрагментов имеет вес 15 кДа, а другой - 31 кДа. Это представляет собой один из механизмов, участвующих в разрушении жизнеспособности клеток, лежащих в основе апоптоза. Также было показано, что протеаза кальпаин участвует в этом типе разрушения клеток; точно так же, как было показано, что использование ингибиторов кальпаина снижает протеолиз актина и деградацию ДНК (еще один из характерных элементов апоптоза). С другой стороны, вызванный стрессом запуск апоптоза вызывает реорганизацию актинового цитоскелета (которая также включает его полимеризацию), приводя к образованию структур, называемых стрессовыми волокнами ; это активируется киназным путем MAP .

Схема окклюдированной зоны или плотного соединения, структуры, которая соединяет эпителий двух клеток. Актин - один из элементов привязки, показанных зеленым.

• Клеточная адгезия и развитие . Адгезия между клетками - это характеристика многоклеточных организмов, которая делает возможной специализацию тканей и, следовательно, увеличивает сложность клеток. Адгезия клеточного эпителия включает актиновый цитоскелет в каждой из соединенных клеток, а также кадгерины, действующие как внеклеточные элементы, причем связь между ними опосредуется катенинами . Вмешательство в динамику актина имеет последствия для развития организма, на самом деле актин является настолько важным элементом, что доступны системы избыточных генов . Например, если ген α-актинина или фактора гелеобразования был удален у Dictyostelium, индивидуумы не обнаруживают аномального фенотипа, возможно, из-за того, что каждый из белков может выполнять функцию другого. Однако это влияет на развитие двойных мутаций , в которых отсутствуют оба типа генов.
• Модуляция экспрессии генов . Состояние полимеризации актина влияет на характер экспрессии генов . В 1997 году было обнаружено, что опосредованная цитокалазином D деполимеризация в шванновских клетках вызывает специфический паттерн экспрессии генов, участвующих в миелинизации нервных клеток этого типа . Было показано, что F-актин модифицирует транскриптом на некоторых стадиях жизни одноклеточных организмов, таких как гриб Candida albicans . Кроме того, белки, подобные актину, играют регулирующую роль во время сперматогенеза у мышей, а у дрожжей актин-подобные белки, как полагают, играют роль в регуляции экспрессии генов . Фактически, актин способен действовать как инициатор транскрипции, когда он реагирует с типом ядерного миозина, который взаимодействует с РНК-полимеразами и другими ферментами, участвующими в процессе транскрипции.
• Динамика стереоцилий . Некоторые клетки развиваются мелкие filliform выростов на их поверхности , которые имеют механосенсорную функцию. Например, этот тип органелл присутствует в кортиевом органе , который расположен в ухе . Основная характеристика этих конструкций - возможность изменения их длины. Молекулярная архитектура стереоцилий включает паракристаллическое актиновое ядро, находящееся в динамическом равновесии с мономерами, присутствующими в соседнем цитозоле. Миозины типа VI и VIIa присутствуют по всему ядру, тогда как миозин XVa присутствует в его конечностях в количествах, пропорциональных длине стереоцилий.
• Внутренняя хиральность . Актомиозиновые сети участвуют в создании внутренней хиральности в индивидуальных клетках. Клетки, выросшие на хиральных поверхностях, могут демонстрировать направленное смещение влево / вправо, которое зависит от актомиозина.

Молекулярная патология

Большинство млекопитающих обладают шестью различными генами актина . Из них два кода для цитоскелета ( ACTB и ACTG1 ) , а остальные четыре участвует в скелетной поперечнополосатой мышце ( ACTA1 ), гладкая мышечная ткань ( ACTA2 ), кишечные мышцы ( ACTG2 ) и сердечной мышце ( ACTC1 ). Актин цитоскелета участвует в патогенетических механизмах многих инфекционных агентов , включая ВИЧ . Подавляющее большинство мутаций , влияющих на актин, являются точечными мутациями, которые имеют доминирующий эффект , за исключением шести мутаций, связанных с миопатией немалина . Это связано с тем, что во многих случаях мутант мономера актина действует как «кэп», предотвращая удлинение F-актина.

Патология, связанная с ACTA1

ACTA1 - это ген, кодирующий α- изоформу актина, преобладающую в скелетно-полосатых мышцах человека , хотя он также экспрессируется в сердечной мышце и щитовидной железе . Его последовательность ДНК состоит из семи экзонов, которые производят пять известных транскриптов . Большинство из них состоят из точечных мутаций, вызывающих замену аминокислот . Мутации во многих случаях связаны с фенотипом, который определяет тяжесть и течение болезни.

Гигантская немалиновая стержни , полученная с помощью трансфекции в виде последовательности ДНК из ACTA1 , который является носителем мутаций ответственны за немалиновую миопатию

Мутация изменяет структуру и функцию скелетных мышц, вызывая одну из трех форм миопатии : немалиновую миопатию 3-го типа , врожденную миопатию с избытком тонких миофиламентов (CM) и врожденную миопатию с диспропорцией типов волокон (CMFTD). Также были обнаружены мутации, вызывающие сердечные миопатии . Хотя их фенотипы схожи, в дополнение к типичной немалиновой миопатии некоторые специалисты выделяют другой тип миопатии, называемый актинической немалиновой миопатией. В первом случае вместо обычных палочек образуются скопления актина. Важно отметить, что пациент может показать более одного из этих фенотипов при биопсии . Наиболее распространенные симптомы состоят из типичной морфологии лица (миопатии фаций ), мышечной слабости, задержки в развитии двигательной и дыхательной трудности. Течение болезни, ее тяжесть и возраст, в котором она проявляется, являются вариабельными, также обнаруживаются частично совпадающие формы миопатии. Симптомом немалиновой миопатии является то, что «немалиновые стержни» появляются в разных местах мышечных волокон 1 типа. Эти стержни представляют собой непатогномоничные структуры, которые по составу аналогичны Z-дискам саркомера .

Патогенез этого миопатии очень разнообразен. Многие мутации происходят в области вдавливания актина рядом с его сайтами связывания нуклеотидов , тогда как другие происходят в Домене 2 или в областях, где происходит взаимодействие с ассоциированными белками. Это каким-то образом объясняет большое разнообразие сгустков, которые образуются в этих случаях, таких как немалин, внутриядерные тела или тела зебры. При немалиновой миопатии происходят изменения в складывании актина, а также изменения его агрегации, а также изменения в экспрессии других ассоциированных белков. В некоторых вариантах, где обнаруживаются внутриядерные тельца, изменения в сворачивании маскируют сигнал экспорта белка ядра, так что в ядре клетки происходит накопление мутированной формы актина . С другой стороны, мутации ACTA1 , вызывающие CFTDM, оказывают большее влияние на саркомерную функцию, чем на ее структуру. Недавние исследования попытались понять этот очевидный парадокс, который предполагает, что нет четкой корреляции между количеством стержней и мышечной слабостью. Похоже, что некоторые мутации могут вызывать более высокую скорость апоптоза в мышечных волокнах типа II.

Положение семи мутаций, относящихся к различным актинопатиям, связанным с ACTA1

В гладких мышцах

Есть две изоформы, которые кодируют актины в гладкой мышечной ткани :

ACTG2 кодирует самую крупную изоформу актина, которая имеет девять экзонов , один из которых, расположенный на 5'-конце, не транслируется . Это γ-актин, который экспрессируется в гладкой кишке. Не было обнаружено мутаций этого гена, соответствующих патологиям, хотя микроматрицы показали, что этот белок чаще экспрессируется в случаях, устойчивых к химиотерапии с использованием цисплатина .

ACTA2 кодирует α-актин, расположенный в гладких мышцах, а также в гладких мышцах сосудов. Было отмечено, что мутация MYH11 может быть ответственной по крайней мере за 14% наследственных аневризм грудной аорты, особенно типа 6. Это связано с тем, что мутировавший вариант вызывает неправильную филаментарную сборку и пониженную способность к сокращению гладких мышц сосудов. Уэтих людей было зарегистрировано разрушение среды аорты с участками дезорганизации и гиперплазии, а также стенозом vasa vasorum аорты. Число болезней, в которые вовлечен этот ген, увеличивается. Это было связано с болезнью Моямоя, и вполне вероятно, что определенные мутации в гетерозиготном состоянии могут вызывать предрасположенность ко многим сосудистым патологиям, таким как аневризма грудной аорты и ишемическая болезнь сердца . Α-актин, обнаруженный в гладких мышцах, также является интересным маркером для оценки развития цирроза печени .

В сердечной мышце

Ген ACTC1 кодирует изоформу α-актина, присутствующую в сердечной мышце. Впервые он был секвенирован Хамадой и сотрудниками в 1982 году, когда было обнаружено, что он прерывается пятью интронами. Это был первый из шести генов, в которых были обнаружены аллели, вовлеченные в патологические процессы.

Поперечный разрез сердца крысы с признаками дилатационной кардиомиопатии

Описан ряд структурных нарушений, связанных с точечными мутациями этого гена, которые вызывают нарушение работы сердца, таких как дилатационная кардиомиопатия типа 1R и гипертрофическая кардиомиопатия типа 11 . Недавно были описаны некоторые дефекты межпредсердной перегородки , которые также могут быть связаны с этими мутациями.

Были изучены два случая дилатационной кардиомиопатии с заменой высококонсервативных аминокислот, принадлежащих белковым доменам, которые связываются и пересекаются с Z-дисками . Это привело к теории, согласно которой дилатация вызвана дефектом передачи сократительной силы в миоцитах .

Мутации в ACTC1 ответственны как минимум за 5% гипертрофических кардиомиопатий. Также было обнаружено наличие ряда точечных мутаций:

• Мутация E101K: изменение чистого заряда и образование слабой электростатической связи в сайте связывания актомиозина.
• P166A: зона взаимодействия между мономерами актина.
• A333P: зона взаимодействия актин-миозин.

Патогенез, по-видимому, включает компенсаторный механизм: мутировавшие белки действуют как токсины с доминирующим эффектом, снижая способность сердца сокращаться, вызывая аномальное механическое поведение, так что гипертрофия, которая обычно задерживается, является следствием нормальной реакции сердечной мышцы на стресс. .

Недавние исследования обнаружили мутации ACTC1, которые вовлечены в два других патологических процесса: инфантильную идиопатическую рестриктивную кардиомиопатию и несокращение 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 вызывать до 21 различных транскрипций путем альтернативного сплайсинга , которые известны как β-актины. В соответствии с этой сложностью, его продукты также обнаруживаются в нескольких местах и ​​являются частью широкого спектра процессов ( цитоскелет , гистон- ацилтрансферазный комплекс NuA4, клеточное ядро ), и, кроме того, они связаны с механизмами большого числа патологических процессов ( карциномы , ювенильная дистония , механизмы инфекции,пороки развития нервной системы и опухолевые инвазии и др.). Была открыта новая форма актина, каппа-актин, которая, по-видимому, заменяет β-актин в процессах, связанных с опухолями .

Изображение получено с использованием конфокальной микроскопии и с использованием специфических антител, показывающих кортикальную сеть актина. Таким же образом , что в ювенильной дистония есть перерыв в структурах цитоскелета , в этом случае получает путь цитохалазина D .

К настоящему времени обнаружены три патологических процесса, вызванных прямым изменением последовательности генов:

• Гемангиоперицитый с т (7; 12) (p22; q13) -translocations является редким недуг, в котором translocational мутация вызывает слияние ACTB гена над Gli1 в хромосоме 12 .
• Юношеский дистония является редким дегенеративным заболеванием , которое влияет на центральную нервную систему ; в частности, поражаются участки неокортекса и таламуса , где образуются палочковидные эозинофильные включения. Пораженные люди представляют собой фенотип с деформациями по средней линии, сенсорной потерей слуха и дистонией. Это вызвано точечной мутацией, при которой аминокислота триптофан заменяет аргинин в положении 183. Это изменяет взаимодействие актина с системой ADF / кофилин , которая регулирует динамику формирования цитоскелета нервных клеток .
• Также была обнаружена доминантная точечная мутация, которая вызывает дисфункцию нейтрофильных гранулоцитов и рецидивирующие инфекции . По-видимому, мутация модифицирует домен, ответственный за связывание профилина с другими регуляторными белками. Сродство актина к профилину у этого аллеля значительно снижено.

В ACTG1 локус кодирует белок γ цитозольного-актин , который отвечает за формирование цитоскелета микрофиламентов . Он содержит шесть экзонов , дающих начало 22 различным мРНК , которые производят четыре полные изоформы , форма экспрессии которых, вероятно, зависит от типа ткани, в которой они обнаружены. Он также имеет два разных промотора ДНК . Было отмечено, что последовательности, транслируемые из этого локуса и из этого локуса β-актина, очень похожи на предсказанные, что предполагает общую предковую последовательность, которая подверглась дупликации и генетической конверсии.

Что касается патологии, это связано с такими процессами, как амилоидоз , пигментный ретинит , механизмы инфекции, заболевания почек и различные типы врожденной потери слуха.

Было обнаружено, что шесть аутосомно-доминантных точечных мутаций в последовательности вызывают различные типы потери слуха, особенно нейросенсорную тугоухость, связанную с локусом DFNA 20/26. Похоже, что они влияют на стереоцилии реснитчатых клеток, присутствующих в кортиевом органе внутреннего уха . β-актин является наиболее распространенным белком в тканях человека, но его не так много в реснитчатых клетках, что объясняет локализацию патологии. С другой стороны, похоже, что большинство этих мутаций затрагивают области, участвующие в связывании с другими белками, особенно с актомиозином. Некоторые эксперименты предполагают, что патологический механизм этого типа потери слуха связан с тем, что F-актин в мутациях более чувствителен к кофилину, чем обычно.

Однако, хотя нет данных о каких-либо случаях, известно, что γ-актин также экспрессируется в скелетных мышцах, и, хотя он присутствует в небольших количествах, модельные организмы показали, что его отсутствие может вызывать миопатии.

Другие патологические механизмы

Некоторые инфекционные агенты используют актин, особенно цитоплазматический актин, в своем жизненном цикле . У бактерий присутствуют две основные формы :

• Listeria monocytogenes , некоторые виды Rickettsia , Shigella flexneri и другие внутриклеточные микробы выходят из фагоцитарных вакуолей, покрывая себя капсулой из актиновых нитей. L. monocytogenes и S. flexneri образуют хвост в форме «кометного хвоста», который придает им подвижность. У каждого вида есть небольшие различия в механизме молекулярной полимеризации их «кометных хвостов». Различные скорости смещения наблюдались, например, у Listeria и Shigella, которые оказались самыми быстрыми. Многие эксперименты продемонстрировали этот механизм in vitro . Это указывает на то, что бактерии не используют миозиноподобный белковый мотор, и похоже, что их движение достигается за счет давления, оказываемого 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, буферный белок и промоторы нуклеации, такие каккомплекс винкулина . Благодаря этим движениям они образуют выступы, которые достигают соседних клеток, заражая и их, так что иммунная система может бороться с инфекцией только через клеточный иммунитет. Движение могло быть вызвано изменением кривой и расщеплением волокон. Другие виды, такие как Mycobacterium marinum и Burkholderia pseudomallei , также способны к локальной полимеризации клеточного актина, чтобы способствовать их перемещению посредством механизма, который сосредоточен на комплексе Arp2 / 3. Кроме того, вакцинный вирус осповакцины также использует элементы актинового цитоскелета для своего распространения.
• Pseudomonas aeruginosa способна образовывать защитную биопленку , чтобы избежатьзащиты организма-хозяина , особенно лейкоцитов и антибиотиков . Биопленка построена с использованиемнитей ДНК и актина организма-хозяина.

В дополнение к ранее процитированному примеру, полимеризация актина стимулируется на начальных этапах интернализации некоторых вирусов, особенно ВИЧ , например, путем инактивации комплекса кофилина.

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

Эволюция

Эукариотический цитоскелет организмов всех таксономических групп имеет компоненты, сходные с актином и тубулином. Например, белок, кодируемый геном ACTG2 у человека, полностью эквивалентен гомологам, присутствующим у крыс и мышей, хотя на уровне нуклеотидов сходство снижается до 92%. Однако есть существенные различия с эквивалентами в прокариотах ( FtsZ и MreB ), где сходство между нуклеотидными последовательностями составляет 40-50% среди различных видов бактерий и архей . Некоторые авторы предполагают, что предковый белок, который дал начало модельному эукариотическому актину, похож на белки, присутствующие в современных бактериальных цитоскелетах.

Структура MreB , бактериального белка, трехмерная структура которого напоминает структуру G-актина.

Некоторые авторы отмечают, что поведение актина, тубулина и гистона , белка, участвующего в стабилизации и регуляции ДНК, сходно по их способности связывать нуклеотиды и по их способности использовать броуновское движение . Также было высказано предположение, что все они имеют общего предка. Следовательно, эволюционные процессы привели к диверсификации предковых белков до разновидностей, существующих сегодня, сохраняя, среди прочего, актины как эффективные молекулы, которые были способны решать важные наследственные биологические процессы, такие как эндоцитоз .

Эквиваленты в бактериях

Бактериального цитоскелета не может быть столь же сложным , как найти в эукариот ; однако он содержит белки, которые очень похожи на мономеры и полимеры актина. Бактериальный белок MreB полимеризуется в тонкие неспиральные филаменты и иногда в спиральные структуры, подобные F-актину. Более того, его кристаллическая структура очень похожа на структуру G-актина (с точки зрения его трехмерной конформации), есть даже сходства между протофиламентами MreB и F-актином. Бактериальный цитоскелет также содержит белки FtsZ , похожие на тубулин .

Таким образом, бактерии обладают цитоскелетом с элементами, гомологичными актину (например, MreB, AlfA, ParM , FtsA и MamK), даже несмотря на то, что аминокислотная последовательность этих белков отличается от последовательности, присутствующей в клетках животных. Однако такие белки имеют высокую степень структурного сходства с эукариотическим актином. Высокодинамичные микрофиламенты, образованные агрегацией MreB и ParM, важны для жизнеспособности клеток и участвуют в морфогенезе клеток, сегрегации хромосом и полярности клеток. ParM является гомологом актина, который кодируется в плазмиде и участвует в регуляции плазмидной ДНК. ParMs из разных бактериальных плазмид могут образовывать удивительно разнообразные спиральные структуры, содержащие две или четыре цепи, чтобы поддерживать точное наследование плазмид.

Приложения

Актин используется в научных и технологических лабораториях как трек для молекулярных моторов, таких как миозин (в мышечной ткани или вне ее), и как необходимый компонент для клеточного функционирования. Его также можно использовать как диагностический инструмент, так как несколько его аномальных вариантов связаны с появлением конкретных патологий.

• Нанотехнологии . Актин-миозиновые системы действуют как молекулярные двигатели, которые позволяют транспортировать везикулы и органеллы по цитоплазме. Возможно, что актин может быть применен в нанотехнологиях, поскольку его динамические способности использовались в ряде экспериментов, в том числе в бесклеточных системах. Основная идея состоит в том, чтобы использовать микрофиламенты в качестве направляющих для молекулярных моторов, которые могут переносить заданную нагрузку. То есть актин можно использовать для определения цепи, по которой груз может транспортироваться более или менее управляемым и направленным образом. С точки зрения общих приложений, его можно было бы использовать для направленного транспорта молекул для осаждения в определенных местах, что позволило бы осуществлять контролируемую сборку наноструктур. Эти атрибуты могут быть применены к лабораторным процессам, таким как лаборатория на кристалле , в механике нанокомпонентов и в нанотрансформаторах, которые преобразуют механическую энергию в электрическую.

Вестерн-блоттинг цитоплазматического актина из легких и придатка яичка крысы

• Актин используется в качестве внутреннего контроля в вестерн-блоттинге, чтобы убедиться, что равные количества белка были загружены на каждую дорожку геля. В примере блоттинга, показанном слева, в каждую лунку загружали 75 мкг общего белка. Блот реагировал с антителом против β-актина (другие подробности блоттинга см. В ссылке).

Использование актина в качестве внутреннего контроля основано на предположении, что его экспрессия практически постоянна и не зависит от условий эксперимента. Сравнивая экспрессию интересующего гена с экспрессией актина, можно получить относительную величину, которую можно сравнивать в разных экспериментах, если экспрессия последнего постоянна. Стоит отметить, что актин не всегда имеет желаемую стабильность в экспрессии генов .

• Здоровье. Некоторые аллели актина вызывают заболевания; по этой причине были разработаны методы их обнаружения. Кроме того, актин можно использовать в качестве косвенного маркера хирургической патологии: можно использовать вариации в характере его распределения в ткани 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 снижаются, когда эти ткани атрофируются , поэтому его можно использовать в качестве маркера этого физиологического процесса.
• Пищевая технология . Можно определить качество некоторых обработанных пищевых продуктов, таких как колбасы , путем количественного определения количества актина, присутствующего в составном мясе. Традиционно использовался метод, основанный на обнаружении 3-метилгистидина в гидролизованных образцах этих продуктов, поскольку это соединение присутствует в тяжелой цепи актина и F-миозина (оба являются основными компонентами мышц). Поколение этого соединения в плоти происходит от метилирования из гистидина остатков присутствует в обоих белков.

Гены

Гены человека, кодирующие белки актина, включают:

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

• Методы окрашивания актином (окрашивание живых и фиксированных клеток)
• Ресурсный мотив Eukaryotic Linear Motif, класс LIG_Actin_RPEL_3
• Ресурсный мотив Eukaryotic Linear Motif, класс LIG_Actin_WH2_1
• Ресурсный мотив Eukaryotic Linear Motif, класс LIG_Actin_WH2_2
• Трехмерные макромолекулярные структуры актиновых филаментов из EM Data Bank (EMDB)