БИОХИМИЯ, 2010, том 75, вып. 1, с. 12 - 26
УДК 576.311.346, 348.7
ДИНАМИКА НЕМЕМБРАННЫХ КОМПОНЕНТОВ КЛЕТКИ: РОЛЬ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА ПО МИКРОТРУБОЧКАМ
Обзор
© 2010 г. А.Ю. Ломакин1, Е.С. Надеждина2*
1 Факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва; факс: +7(495)939-3181, электронная почта: alexis.lomakin@yahoo.com 2Институт белка РАН, 142290 Пущино Московской обл., ул. Институтская, 4; факс: +7(499)135-2147, электронная почта: nadezhdina@vega.protres.ru
Поступила в редакцию 28.03.09 После доработки 18.05.09
Обсуждаются некоторые общие закономерности зависящего от микротрубочек активного транспорта немембранных компонентов в животных клетках. Рассматривается транспорт мРНК, цитоскелетных элементов, структурных белков и белковых сигнальных комплексов. Прослеживаются цепочки межмолекулярных взаимодействий, обеспечивающих связь между немембранным грузом и микротрубочками. Уделено внимание регуляции этих взаимодействий.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: цитоскелет, микротрубочки, кинезин, динеин, транспорт, мРНК, передача сигнала.
Широко известна роль микротрубочек в транспорте по цитоплазме мембранных орга-нелл: митохондрий, компонентов аппарата Гольджи, экзо- и эндоцитозных везикул и т.д. Эти вопросы, а также общие проблемы регуляции транспорта рассматриваются во многочисленных обзорах [1—6]. Однако существуют и немембранные компоненты клетки, чьи распределения в цитоплазме или перемещения по клетке зависят от микротрубочек. К настоящему времени накоплено немало сведений о таких клеточных компонентах, что и побудило авторов суммировать эти данные. Из-за обширности темы придется ввести некоторые ограничения. Здесь рассмотрены вопросы, связанные исключительно с транспортом в интерфазных клетках; остальные же функции микротрубочек, в частности особая их роль в движении митотических хромосом, остались в тени. Кроме того, мы привели примеры транспорта только немембранных компонентов в клетках животных.
Принятые сокращения: НТО — нетраслируемая область, РНП — рибонуклеопротеид, APC — adenoma polyposis coli, CPE — cytoplasmic polyadenilation element (элемент цитоплазматического полиаденилирования), MSD — mean squared displacement (среднеквадратичное смещение), NLS — nuclear localization signal (сигнал ядерной локализации).
* Адресат для корреспонденции.
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ, ЕГО ЛОГИКА И БЕЛКИ-МОТОРЫ
Клеточные компоненты перемещаются в цитоплазме по двум основным причинам. Во-первых, это компартментализация клеток — каждый процесс происходит в определенной области, например транскрипция в ядре, а трансляция — в цитоплазме, из-за чего РНК должна транспортироваться из ядра в цитоплазму. Си-наптические везикулы необходимо доставить от тела нейрона к кончику аксона, образующиеся в синапсе сигналосомы — назад, в тело клетки. Во-вторых, это необходимость клеточных компонентов взаимодействовать друг с другом, для чего они должны встречаться в пространстве. Все молекулы и частицы в клетках, естественно, подвержены диффузии. Однако частицам и ор-ганеллам (далее по тексту — частицам) необходимо преодолевать высокую вязкость цитоплазмы, которая препятствует их простой диффузии и может стать препятствием для перемещений крупных объектов. Активный транспорт нужен для преодоления значительных расстояний за разумное время, поэтому он особенно актуален для крупных клеток типа нейронов или ооцитов.
Перемещение клеточных компонентов по клетке обычно не похоже на, например, направленное перемещение муравьев по «муравьиным
дорогам». Скорее, это внешне хаотичное движение муравьев по муравейнику. Постоянный на-равленный поток частиц может быть видно в аксонах, однако не во всех случаях. Обычно частица перемещается по цитоплазме хаотично, нередко меняя направление движения на противоположное несколько раз в минуту, причем перемены направления чередуются с периодами неподвижного стояния или «дрожания», т.е. мелких перемещений вокруг одной точки. Лишь изредка происходят так называемые сальтаторные перемещения частиц — непродолжительные «прыжки» на несколько микронов со скоростью до 2 мкм/с [5]. Измерения скорости движения частиц также показывают, что даже в небольших временных интервалах частицы редко развивают большую скорость передвижения. Только 8—12% митохондрий одномоментно (т.е. в течение 3—5 с) движутся со скоростью, превышающей 0,2 мкм/с [7]. В итоге средняя скорость перемещения, например, частиц, содержащих мРНК, составляет ~0,1 мкм/с [8—12], т.е. более чем в 10 раз меньше скорости сальтаторного движения.
Для точной характеристики движения внутриклеточных компонентов необходим углубленный математический анализ, например анализ зависимости среднеквадратичного смещения частицы (mean squared displacement (MSD)) от временного интервала [13—17]. Движение частиц приближенно описывается степенным уравнением MSD(t) ~ Dta, где t — временной интервал наблюдения, D — коэффициент диффузии, а — показатель аномальной диффузии. При а < 1,0 движение частицы можно считать диффузией (с дальнейшим подразделением на простую и затрудненную диффузии), а при а > 1,0 — облегченной диффузией или активным движением [18]. Выдвинуто предположение, что обычно наблюдаемым перемещениям частиц в клетках наилучшим образом соответствует схема, когда частицы совершают низкоамплитудные перемещения в неких доменах, изредка «перепрыгивая» в соседние домены [17]. По-видимому, в случае зависимого от микротрубочек движения такие домены могут соответствовать трехмерным ячейкам, которые образуются в сети хаотично расположенных микротрубочек (рисунок).
Как можно экспериментально проверить, что мы имеем дело с активным транспортом тех или иных частиц вдоль микротрубочек? Во-первых, следует начать с четкой идентификации исследуемых частиц. В настоящее время существует мнение, что, например, мембранные везикулы представлены в клетке множеством видов, отличающихся по биохимическому составу, хотя
морфологически сходных. Во-вторых, необходимо убедиться, что треки движения изучаемых частиц совпадают с расположением микротрубочек, а также установить, что при экспериментальном разрушении системы микротрубочек (например, действием нокодазола) движение частиц прекращается или замедляется. Нередко, однако, изучение движения начинается с того, что обнаруживается непосредственное взаимодействие какого-либо клеточного белка с моторными белками. Особая и наиболее существенная задача — идентификация моторных белков, участвующих в транспорте тех или иных частиц.
Активный транспорт вдоль микротрубочек осуществляется с помощью моторных белков — механохимических АТРаз, принадлежащих к двум суперсемействам: динеинам и кинезинам [1—6, 19, 20]. Эти белки взаимодействуют своим АТРазным доменом с микротрубочками, а противоположным концом — с перевозимым грузом. Кинезины обычно транспортируют грузы от минус-конца микротрубочек к плюс-концу, хотя бывают и минус-концевые кинезины; ди-неины транспортируют грузы от плюс-конца микротрубочек к минус-концу, т.е. в противоположном направлении. В геноме человека закодировано 39 кинезинов; из них в интерфазных ненервных клетках обычно превалируют кине-зин-1 (ЫР5 по современной номенклатуре) и кинезин-2 (ЫР3) [6]. Динеины не столь разнообразны, но в молекулу цитоплазматического динеина помимо тяжелых цепей входят промежуточные, легкие промежуточные и разнообразные легкие цепи, причем некоторые легкие цепи могут выполнять самостоятельные функции как индивидуальные белки. Обычно на одной и той же транспортируемой частице одновременно находится несколько молекул белков-моторов противоположных знаков, способных двигаться и к плюс-, и к минус-концам микротрубочки [2, 21, 22]. Иногда движение частицы напоминает перетягивание каната, когда различные молекулы-моторы работают одновременно и пытаются тянуть частицу в разные стороны [22] (схема 1). Полагают, что различные моторы могут образовывать на транспортируемых грузах общие комплексы.
Существует также пассивный транспорт вдоль микротрубочек путем независимой от АТР одномерной диффузии белков. Такой транспорт показан для одного из кинезинов — МСАК/ХКСМ1 (к^т-13, К№2С) [23]. Диффундируя вдоль микротрубочки, МСАК быстро достигает ее конца, где АТР-зависимым образом активирует деполимеризацию тубулина и тем самым увеличивает динамичность сети микротрубочек [23]. Перемещаться вдоль микротрубо-
чек путем одномерной диффузии способны также динактиновый комплекс (см. ниже) [24] и, возможно, другие белки, но это не относится к активному транспорту, являющемуся темой настоящей статьи.
В клетках, где расположение микротрубочек строго детерминировано, моторные белки противоположных знаков организуют двунаправленное перемещение органелл (рисунок), например ретроградный или антероградный транспорт в аксонах или дисперсию и агрегацию пигментных гранул в меланофорах рыб [25, 26]. В аксонах транспорт идет по параллельно уложенным микротрубочкам, ориентированным плюс-концом в дистальном направлении, в меланофорах — по радиальной сети микротрубочек, где плюс-концы обращены к периферии, а минус-концы собраны в центре (рисунок). Однако во многих других типах клеток микротрубочки
распложены достаточно хаотично и частицы могут блуждать по цитоплазме, пользуясь белком-мотором только одного знака (рисунок).
В задачу исследования транспорта различных частиц в клетках входит изучение механизма образования комплекса частицы с транспортирующими белками — выбор того или иного белка, его связывание с соответствующими адаптерами. Для идентификации белков-моторов, принимающих участие в движении той или иной частицы, используют разнообразные методы: колокализацию в клетках мотора и частицы, проверяемую методами иммунофлуорес-ценции и синтеза слитых с GFP белков. Взаимодействие с частицей или ее компонентами проверяется методами копреципитации, в дрожжевой двугибридной системе и т.д. Наконец, применяются методы нокдауна (выключения гена при РНК-интерференции), синтеза в клетках
Микротрубочки и организация транспорта в различных типах клеток. а—в — Микротрубочки в различных клетках. Флуоресцентная микроскопия. г—е —
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.