научная статья по теме ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ, ОСНОВАННЫЙ НА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ АКТИНА (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ, ОСНОВАННЫЙ НА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ АКТИНА (ОБЗОР)»

БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 9, с. 1135 - 1147

УДК 57722

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ, ОСНОВАННЫЙ НА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ АКТИНА

Обзор © 2014 С.Ю. Хайтлина

Институт цитологии РАН, 194064 Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 4; факс: +7(812)297-0341, электронная почта: skhspb@gmail.com

Поступила в редакцию 17.04.14

Наряду с внутриклеточным перемещением частиц (груза) по микротрубочкам в клетке существуют две актин-зависимые транспортные системы. В одной из них, актомиозиновой, транспортером является миозин, который перемещает груз по актиновым микрофиламентам. Этот транспорт обеспечивается гидролизом АТФ в моторном домене молекулы миозина, индуцирующим конформационные изменения молекулы, в результате которых миозин движется вдоль нити актина. Другая актин-зависимая транспортная система клетки не связана с миозином или другими моторными белками. Эта система основана на полимеризации актина, которая имеет однонаправленный характер, определяемый гидролизом АТФ в полимерах актина, и инициируется белками, связанными с поверхностью переносимых частиц. Обязательными компонентами актин-зависимого транспорта являются белки семейства WASP/SCAR и комплекс белков Arp2/3. Кроме того, актин-зависимые транспортные системы часто содержат динамин и кортактин. Показано, что с помощью системы актиновых филаментов, формирующихся на поверхности частицы, так называемого «ко-метоподобного хвоста», двигаются внутри клетки патогенные бактерии, перемещаются макропиноцитоз-ные везикулы, клатриновые окаймленные пузырьки и фагосомы, и это движение воспроизводится в бесклеточной системе, содержащей экстракт ооцитов лягушки. Формирование кометоподобной структуры, способной транспортировать везикулу от плазматической мембраны в глубь клетки, детально исследовано с помощью электронной микроскопии высокого разрешения в сочетании с электронной томографией. Похожий механизм обеспечивает движение везикул, содержащих мембранные рафты, обогащенные сфинго-липидами и холестерином, изменение положения ядерного веретена при мейозе и другие процессы. В настоящем обзоре рассмотрены современные представления о полимеризации актина и ее регуляции актин-связывающими белками и показано, как эти механизмы реализуются в актин-зависимой транспортной системе клетки.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: цитоскелет, актин, Arp2/3, динамин, внутриклеточные везикулы, «кометоподобные хвосты».

Внутриклеточный транспорт связывают, прежде всего, с перемещением частиц (груза) по микротрубочкам. Вместе с тем, в клетках существует две актин-зависимые транспортные системы. В первой из них, актомиозиновой, транспортером является миозин, который взаимодействует с актиновыми микрофиламентами. Так же, как при скольжении мышечного миозина по нитям актина, перемещение немышечных изо-форм миозина по актиновым микрофиламентам осуществляется за счет АТФ-зависимого взаимодействия моторного домена (головки) миозина с актином, гидролиза АТФ, связанного в моторном домене миозина, и конформационных изменений в шейном домене молекулы миозина, индуцированных гидролизом АТФ. Однако, в отличие от мышечного миозина, немышечные

Памяти Георгия Петровича Пинаева

миозины, как правило, имеют короткие хвостовые домены, которые не образуют нитей, но содержат структурные мотивы, способствующие взаимодействию миозина с другими белками и липидами, т.е. прикреплению груза [1—3]. Наиболее изученным моторным белком этой транспортной системы является миозин V [3—6], структурно и функционально сходный с моторными белками тубулиновой транспортной системы кинезином и динеином [7, 8]. Это сходство позволяет миозину V перемещаться не только по актиновым филаментам, но и по микротрубочкам [9—11]. Предполагается, что, в отличие от транспортной системы, состоящей из микротрубочек и кинезина/динеина, которая перемещает груз на длинные расстояния, транспорт по актиновым филаментам является локальным [6].

Еще одна актин-зависимая транспортная система не связана с миозином или другими моторными белками. Эта система основана на перемещении частиц с помощью «кометоподоб-ного хвоста», образующегося на поверхности частицы в результате полимеризации актина, которая имеет направленный характер, определяемый гидролизом АТФ в полимерах актина, и инициируется белками, связанными с поверхностью переносимых частиц. Обязательными компонентами актин-зависимого транспорта являются белки семейства МА8Р/8саг и комплекс белков Агр2/3 и/или динамин и кортактин [12, 13]. Показано, что с помощью «кометопо-добного хвоста» перемещаются макропиноци-тозные везикулы (пиносомы) [14, 15], клатрино-вые окаймленные пузырьки [16], эндосомы и лизосомы в ооцитах шпорцевой лягушки Хепорш и в бесклеточной системе, содержащей экстракт ооцитов этой лягушки [17]. Похожий механизм обеспечивает движение везикул, содержащих мембранные рафты, обогащенные сфинголипидами и холестерином [18], и изменение положения ядерного веретена при мейозе [19—21]. В настоящем обзоре рассмотрены современные представления о полимеризации актина и ее регуляции актин-связывающими белками и показано, как эти механизмы реализуются в актин-зависимой транспортной системе клетки.

ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ АКТИНА И ДИНАМИКА АКТИНОВЫХ НИТЕЙ

Динамика актиновых структур клетки основана на важнейшем свойстве актина — его способности к обратимой полимеризации. Актин в растворе — это глобулярный белок (О-актин). Молекула актина образована двумя доменами, разделенными глубокой щелью, в которой находятся прочно связанный катион, Са2+ или М^2+, и нуклеотид, АТФ или АДФ [22] (рис. 1, а, врезка). Поэтому актин относится к семейству АТФ-связывающих белков, в котором и обмен нукле-отида, и гидролиз АТФ играют функциональную роль. При физиологических условиях мономеры актина ассоциируют друг с другом, образуя двуспиральный полимер (нить актина, микрофиламент, Б-актин) [23]. Структура этого полимера описывается или как два спиральных длинношаговых тяжа, нековалентно ассоциированных друг с другом, или как одна короткоша-говая спираль [24] (рис. 1, а, б). Так как все мономеры актина ориентированы в одном направлении, нити актина полярны. Морфологически полярность нитей легко определяется при взаи-

модействии F-актина с миозином или его фрагментами, в результате которого образуются так называемые «стреловидные структуры», направление которых определяет «оперенный конец» стрелы (barbed end, плюс-конец) и «стреловидный конец» (pointed end, минус-конец) нити, соответствующие ее быстрому и медленному удлинению (рис. 1, в) [25].

Полимеризация актина происходит как поликонденсация, первый этап которой, нуклеа-ция — это взаимодействие мономеров, приводящее к возникновению зародышей полимеризации. Устойчивыми зародышами полимеризации являются тримеры актина, которые удлиняются вплоть до установления равновесия (рис. 2, а). Удлинение нитей актина сопровождается необратимым гидролизом связанного АТФ (рис. 2, б) и освобождением неорганического фосфата. В результате гидролиза АТФ изменяется конфор-мация субъединиц актина, и связи между ними ослабляются [26]. Прямые измерения скорости ассоциации и диссоциации мономеров на концах нитей показали, что АТФ-О-актин эффективно присоединяется к быстрому (плюс-концу) нити, а АДФ-О-актин диссоциирует от медленного (минус-конца) (рис. 2, в). При этом происходит медленное «перемещение» субъединиц актина от быстрого к медленному концу нити, так называемый тредмиллинг (treadmilling) [27].

Полимеризация актина в клетке активно регулируется множеством актин-связывающих белков, определяющих ее локализацию, длину нитей и продолжительность их жизни или взаимодействующих с мономерами, поддерживая пул глобулярного актина и состояние связанного нуклеотида [28—30]. Для актин-зависимого транспорта, основанного на полимеризации актина, наиболее важными являются белки-нукле-аторы и, в частности, комплекс Arp2/3 (Actin-Related Proteins), состоящий из семи белков, в том числе Arp2 и Arp3, структура которых сходна со структурой актина, и вспомогательных белков, обеспечивающих связь с активаторами (рис. 2, г). Модельные эксперименты показали, что для взаимодействия с актином комплекс Arp2/3 должен быть активирован. В клетке эту функцию осуществляют белки семейства WASP/ /Scar. Активированный Arp2/3 инициирует полимеризацию актина или взаимодействует с нитью актина, при этом Arp2 и Arp3 являются первыми субъединицами новой нити. Когда комплекс Arp2/3 связан с нитью актина, он служит нуклеа-тором новых нитей, медленный конец которых блокирует. Это приводит к образованию сети актиновых филаментов, расположенных под углом 70° друг к другу, связанных Y-образными контак-

тами [31]. Таким образом, геометрия комплекса Агр2/3 определяет образование ветвистых (денд-ритоподобных) структур, которые оказались похожими на подмембранные структуры, выявляемые в кортикальном цитоскелете на переднем крае движущихся клеток (рис. 2, д) [32]. Оказалось также, что такие структуры могут обеспечивать внутриклеточный транспорт, что впервые было обнаружено при исследовании патогенных бактерий, которые двигаются в цитоплазме клеток эукариот с помощью пучка актиновых нитей, похожего на хвост кометы.

ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ПЕРЕДВИЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ С ПОМОЩЬЮ «КОМЕТОПОДОБНОГО ХВОСТА»

Инвазию эукариотических клеток бактериями можно наблюдать с помощью флуоресцентной и электронной микроскопии (рис. 3). Попав

на поверхность нефагоцитирующей эукариоти-ческой клетки, патогенные бактерии Listeria monocytogenes и Shigella flexneri индуцируют массивные перестройки кортикального цитоскеле-та и образование фагосом, внутри которых бактерии проникают в клетку. Затем бактерии лизи-руют мембрану фагосомы и выходят в цитоплазму. Следующей стадией процесса является нук-леация актиновых филаментов на поверхности бактерий и образование на апикальном конце бактерии «кометоподобного хвоста» — пучка ак-тиновых филаментов, который используется бактериями для движения внутри клетки [33]. Скорость этого движения равна скорости полимеризации актина [34]. Если в результате движения бактерии оказываются около клеточной мембраны, они инициируют образование прот-рузий, при контакте кото

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.

Показать целиком