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.