aktin - Actin

aktin
ADP ile vurgulanan aktin.png
G-aktin'in şerit diyagramı . Aktin'in aktif bölgesine bağlı ADP (şeklin merkezine yakın çok renkli çubuklar) ve ayrıca karmaşık bir kalsiyum dikasyonu (yeşil küre) vurgulanır.
tanımlayıcılar
Sembol aktin
Pfam PF00022
InterPro IPR004000
PROZİT PDOC00340
SCOP2 2btf / KAPSAM / SUPFAM

Aktin a, aile ve küresel çok fonksiyonlu proteinler bu şekilde mikrofilamanlar olarak hücre iskeleti ve ince filamentler kas fibrillerinin . Esasen tüm ökaryotik hücrelerde bulunur ve burada 100 μM'nin üzerinde bir konsantrasyonda bulunabilir ; kütlesi kabaca 42 kDa'dır ve çapı 4 ila 7 nm'dir.

Bir aktin proteini, hücrelerdeki iki tip filamentin monomerik alt birimidir : hücre iskeletinin üç ana bileşeninden biri olan mikrofilamentler ve kas hücrelerindeki kasılma aparatının bir parçası olan ince filamentler . Bu ya da bir serbest olarak mevcut olabilir monomer olarak adlandırılan G-aktin (küresel) ya da doğrusal bir parçası olarak bir polimer adı mikrofilaman F-aktin gibi önemli hücre fonksiyonları için gerekli olan, her ikisi de (ipliksi), hareket ve kasılma hücreleri içinde hücre bölünmesi .

Aktin, kas kasılması , hücre hareketliliği , hücre bölünmesi ve sitokinez , vezikül ve organel hareketi, hücre sinyali ve hücre bağlantılarının ve hücre şeklinin kurulması ve korunması dahil olmak üzere birçok önemli hücresel sürece katılır . Bu süreçlerin çoğuna, aktin ile hücresel membranların kapsamlı ve yakın etkileşimleri aracılık eder . Omurgalılarda, üç ana aktin izoformu grubu , alfa , beta ve gama tanımlanmıştır. Kas dokularında bulunan alfa aktinler, kasılma aparatının önemli bir bileşenidir. Beta ve gama aktinler çoğu hücre tipinde hücre iskeletinin bileşenleri ve iç hücre hareketliliğinin aracıları olarak bir arada bulunur . Aktin tarafından oluşturulan ve bu kadar geniş bir fonksiyon yelpazesini yerine getirmesini sağlayan çok çeşitli yapıların, filamentler boyunca tropomiyozinin bağlanmasıyla düzenlendiğine inanılmaktadır.

Bir hücrenin dinamik olarak mikrofilamentler oluşturma yeteneği , örneğin hücre zarı emilimini artırmak veya hücre dokusu oluşturmak için hücre yapışmasını artırmak gibi, çevreye veya organizmanın iç sinyallerine yanıt olarak kendisini hızla yeniden şekillendirmesine izin veren yapı iskelesini sağlar . Diğer enzimler veya organeller gibi kirpikler dış deformasyonunu kontrol etmek amacıyla bu iskele demirlenebilir hücre membranı sağlar, endositoz ve sitokinezi . Ayrıca kendi başına veya moleküler motorlar yardımıyla hareket üretebilir . Bu nedenle aktin, veziküllerin ve organellerin hücre içi taşınmasının yanı sıra kas kasılması ve hücresel göç gibi süreçlere katkıda bulunur . Bu nedenle embriyogenezde , yaraların iyileşmesinde ve kanser hücrelerinin istilasında önemli bir rol oynar . Aktin'in evrimsel kökeni, eşdeğer proteinlere sahip prokaryotik hücrelere kadar izlenebilir . Prokaryotlardan ve arkelerden gelen aktin homologları, bir veya daha fazla iplikten oluşan farklı sarmal veya doğrusal filamentlere polimerize olur. Bununla birlikte, zincir içi temaslar ve nükleotid bağlanma bölgeleri, prokaryotlarda ve arkelerde korunur. Son olarak, aktin, gen ekspresyonunun kontrolünde önemli bir rol oynar .

Çok sayıda hastalık ve hastalık neden olduğu mutasyonlar olarak allel arasında gen aktin ya da ilişkili proteinlerin üretimini düzenler. Aktin üretimi ayrıca bazı patojenik mikroorganizmalar tarafından enfeksiyon sürecinin anahtarıdır . İnsanlarda üretim aktin düzenleyen farklı genlerde mutasyonlar neden olabilir kas hastalıkları büyüklüğü ve işlevinde, varyasyonları kalp hem de işitme kaybı . Hücre iskeletinin yapısı , özellikle bağışıklık sisteminin eylemlerinden kaçınma ile ilgili süreçlerde, hücre içi bakteri ve virüslerin patojenitesi ile de ilgilidir .

Keşif ve erken soruşturma

Aktin ilk gözlendi deneysel tarafından 1887 yılında WD Halliburton arasında 'pıhtılaşmış' hazırlıkları olduğunu kasından bir protein çıkarılan, miyozin o "miyozin-fermente" denilen söyledi. Ancak, Halliburton onun bulguları daha ileri rafine edemedi ve aktin keşfedilmesi yerine alacak olan Bruno Ferenc Straub , genç biyokimyacı çalışan Albert Szent-Györgyi en Medikal Kimya Enstitüsü'nde 'ın laboratuarında Szeged Üniversitesi , Macaristan .

Keşfine kadar sonra Ilona Banga pıhtılaşma sadece bazı mysosin ekstraksiyon meydana gelir ve ATP eklenmesi üzerine tersine döndüğü 1941'de ve Szent-Györgyi, Straub tanımlanmış ve pıhtısını yaptığı bu miyosin preparatlarından aktin saflaştırılmıştır. Banga'nın orijinal özütleme yöntemini temel alarak, kas proteinini özütlemek için , 1942'de yayınlanan ve önemli miktarlarda nispeten saf aktin izole etmesine olanak tanıyan yeni bir teknik geliştirdi . Straub'un yöntemi, esasen bugün laboratuvarlarda kullanılanla aynıdır . Straub proteini, miyozinin pıhtılaşmasını aktive etmek için gerekli olduğundan, buna aktin adı verildi . Banga'nın pıhtılaştırıcı miyozin preparatlarının da aktin içerdiğini fark eden Szent-Györgyi, her iki proteinin karışımına da aktomiyosin adını verdi .

İkinci Dünya Savaşı'nın düşmanlıkları, Szent-Gyorgyi'nin laboratuvar çalışmalarını Batılı bilimsel dergilerde yayınlayamadığı anlamına geliyordu . Bu nedenle Actin, Batı'da ancak 1945'te, makaleleri Acta Physiologica Scandinavica'ya ek olarak yayınlandığında iyi tanındı . Straub aktin üzerinde çalışmaya devam etmiş ve 1950 yılında bu aktin bağlı ihtiva rapor ATP ve bu sırasında polimerizasyon içine protein mikrofilamanlardan , nükleotid olan hidroliz için ADP ve inorganik fosfatın (mikrofilaman bağlı kalacağı). Straub, ATP'ye bağlı aktin'in ADP'ye bağlı aktine dönüşümünün kas kasılmasında rol oynadığını öne sürdü. Aslında bu sadece düz kas için geçerlidir ve 2001 yılına kadar deneylerle desteklenmemiştir.

Amino asit dizilemesi aktin 1973 M. Elzinga ve çalışma arkadaşları tarafından tamamlanan kristal yapısı Kabsch ve arkadaşları tarafından, 1990 yılında çözüldü, G-aktin. Aynı yıl, Holmes ve meslektaşları tarafından, farklı proteinlerle birlikte kristalleştirme kullanılarak yapılan deneylerin ardından F-aktin için bir model önerildi. Farklı proteinlerle birlikte kristalleştirme prosedürü, takip eden yıllarda tekrar tekrar kullanıldı, 2001'de izole edilen protein ADP ile birlikte kristalleştirildi. Bununla birlikte, F-aktin'in yüksek çözünürlüklü X-ışını yapısı hala yoktur. F-aktin kristalizasyonu , amino asit cys-374'ü bloke ederek polimerizasyonu engelleyen bir rodamin konjugatının kullanılması nedeniyle mümkün olmuştur . Christine Oriol-Audit, aktin'in ilk kristalleştiği yıl öldü, ancak 1977'de Aktin Bağlayıcı Proteinler (ABP'ler) yokluğunda ilk kristalize aktin araştırmacısıydı. Ancak ortaya çıkan kristaller, zamanın mevcut teknolojisi için çok küçüktü.

Aktin'in filamentli formunun yüksek çözünürlüklü bir modeli şu anda mevcut olmamasına rağmen, 2008'de Sawaya'nın ekibi, farklı yerlerde bağlanan çok sayıda aktin dimer kristaline dayanarak yapısının daha kesin bir modelini üretebildi . Bu model daha sonra Sawaya ve Lorenz tarafından daha da geliştirildi. Kriyo-elektron mikroskopisi ve senkrotron radyasyonunun kullanımı gibi diğer yaklaşımlar , son zamanlarda çözünürlüğün artmasına ve aktin filamentlerinin oluşumunda rol oynayan etkileşimlerin ve konformasyonel değişikliklerin doğasının daha iyi anlaşılmasına izin vermiştir.

Yapı

Aktin'in amino asit dizisi , algler ve insanlar gibi çeşitli türlerde %20'den fazla farklılık göstermeden , evrim boyunca çok az değiştiği için proteinlerin en yüksek düzeyde korunmuş olanlarından biridir . Bu nedenle optimize edilmiş bir yapıya sahip olduğu düşünülmektedir . İki ayırt edici özelliği vardır: biyolojik süreçlerin "evrensel enerji para birimi" olan ATP'yi yavaş yavaş hidrolize eden bir enzimdir . Ancak, yapısal bütünlüğünü korumak için ATP gereklidir. Verimli yapısı, neredeyse benzersiz bir katlama işlemi ile oluşturulmuştur. Ek olarak, diğer proteinlerden daha fazla etkileşim gerçekleştirebilir, bu da hücresel yaşamın hemen her seviyesinde diğer proteinlerden daha geniş çeşitlilikte işlevler gerçekleştirmesine izin verir. Miyosin , aktin ile bağlanan bir protein örneğidir. Başka bir örnek, çevreleyen ortamdaki kalsiyum katyonlarının konsantrasyonuna bağlı olarak aktin'i demetler halinde örebilen veya filamentleri kesebilen villindir .

Aktin, sitoplazma boyunca bulunduğu ökaryotlarda en bol bulunan proteinlerden biridir . Aslında, kas liflerinde toplam hücresel proteinin ağırlıkça %20'sini, diğer hücrelerde ise %1 ila %5'ini oluşturur. Ancak aktin tek tip değildir; genleri , aktin için kod olarak tanımlanır bu gen ailesi (bitkilerde genlerin dahil 60'dan elemanları içeren bir aile sözde genler ve insanlarda 30'dan elemanları olarak). Bu, her bireyin genetik bilgisinin, biraz farklı işlevlere sahip aktin varyantları ( izoformlar olarak adlandırılır ) üreten talimatlar içerdiği anlamına gelir . Bu da ökaryotik organizmaların aşağıdakilere yol açan farklı genleri ifade ettiği anlamına gelir : kasılma yapılarında bulunan a-aktin; β-aktin, hareketlilik aracı olarak hücresel yapılarının izdüşümünü kullanan hücrelerin genişleyen kenarında bulunur; ve stres liflerinin filamentlerinde bulunan γ-aktin . Bir organizmanın izoformları arasındaki benzerliklere ek olarak, farklı ökaryotik alanlarda bulunan organizmalar arasında bile yapı ve işlevde evrimsel bir koruma vardır . Gelen bakteri aktin homologu MreB mikrofilamanlar halinde polimerize edebilen bir protein olan, tespit edilmiştir; ve arkeler homologu Ta0583 da daha fazla benzer ökaryotik aktinler etmektir.

Hücresel aktin iki forma sahiptir: G-aktin adı verilen monomerik globüller ve F-aktin adı verilen polimerik filamentler (yani birçok G-aktin monomerinden oluşan filamentler olarak). F-aktin ayrıca bir mikrofilament olarak da tanımlanabilir. İki paralel F-aktin dizisi, birbirinin üzerine doğru şekilde uzanmak için 166 derece dönmelidir. Bu, hücre iskeletinde bulunan mikrofilamentlerin çift sarmal yapısını oluşturur. Mikrofilamentler , her 37 nm'de bir tekrar eden sarmal ile yaklaşık 7 nm çapındadır. Her aktin molekülü, bir Mg2 + katyonu ile bağlantılı bir adenosin trifosfat (ATP) veya adenosin difosfat (ADP) molekülüne bağlıdır . Tüm olası kombinasyonlara kıyasla en yaygın bulunan aktin formları, ATP-G-Aktin ve ADP-F-aktindir.

G-aktin

Taramalı elektron mikroskobu görüntüleri, G-aktin'in küresel bir yapıya sahip olduğunu gösterir; bununla birlikte, X-ışını kristalografisi , bu globüllerin her birinin bir yarıkla ayrılmış iki lobdan oluştuğunu gösterir. Bu yapı , ATP ve Mg2 +' yı bağlayan ve ilkini ADP artı fosfata hidrolize eden bir enzimatik kataliz merkezi olan “ATPase kıvrımını” temsil eder . Bu kıvrım, heksokinaz (enerji metabolizmasında kullanılan bir enzim ) veya Hsp70 proteinleri (protein katlanmasında önemli bir rol oynayan bir protein ailesi ) gibi trifosfat nükleotitleri ile etkileşime giren diğer proteinlerde de bulunan korunmuş bir yapısal motiftir . G-aktin, yalnızca yarığında ADP veya ATP içerdiğinde işlevseldir, ancak ATP'ye bağlı form, aktin serbest durumunda mevcut olduğunda hücrelerde baskındır.

Graceffa ve Domínguez, 2003'ten sonra bir tavşanın çizgili kas dokusundan çıkarılan şerit aktin modeli . Dört alt alan , N ve C terminalleri ve ATP bağının konumu görülebilir . Molekül üst kısmında uç (sivri ucu) ve alt kısmında + uca (dikenli sonu) - yerleştirme olağan sistem kullanılarak yönlendirilmiştir.

X-ışını kristalografisi ile ilgili Kabsch üretildi aktin modeli çizgili kas dokusuna ait tavşan bu ilk olarak en yaygın yapısal çalışmalarda kullanılan saflaştırılır . Kabsch tarafından kristalize edilen G-aktin yaklaşık 67 x 40 x 37 A boyutundadır, 41.785 Da moleküler kütleye ve tahmini izoelektrik noktası 4.8'dir . Bu net yük de pH = 7 -7.

Birincil yapı

Elzinga ve çalışma arkadaşları ilk olarak 1973'te bu tip aktin için tam peptit dizisini belirlediler, daha sonra aynı yazarın çalışması modele daha fazla ayrıntı ekledi. 374 amino asit kalıntısı içerir . Bu N-terminali yüksek olduğu asidik bir ile başlar acetyled aspartat amino grubu. Bunu yaparken C-terminali olan alkalin bir oluşturulur fenilalanin bir öncesinde sistein fonksiyonel öneme sahip bir derecesine sahip. Her iki uç da I-alt etki alanı içinde yakındır. 73 konumunda anormal bir N τ- metilhistidin bulunur.

Üçüncül yapı — etki alanları

Üçüncül yapı, iki ile oluşturulur etki yarık ile bağın yerini etrafında ayrılmış, büyük ve küçük olarak bilinen, ATP - ADP + p i . Bunun altında "oluk" adı verilen daha derin bir çentik vardır. Gelen Yerli durumda , isimleri rağmen, her iki karşılaştırılabilir derinliğe sahiptir.

Topolojik araştırmalardaki normal kural , bir proteinin en büyük etki alanı sol tarafta ve en küçük etki alanı sağ tarafta gösterildiği anlamına gelir. Bu konumda daha küçük alan sırayla ikiye bölünür: alt alan I (alt konum, kalıntılar 1-32, 70-144 ve 338-374) ve alt alan II (üst konum, kalıntılar 33-69). Daha büyük alan da ikiye bölünmüştür: alt alan III (alt alan, 145-180 ve 270-337 kalıntıları) ve alt alan IV (daha yüksek, kalıntılar 181-269). Alt alan I ve III'ün açıkta kalan alanları "dikenli" uçlar olarak adlandırılırken, II ve IV alanlarının açıkta kalan alanları "sivri" uçlar olarak adlandırılır. Bu adlandırma, alt alanın küçük kütlesi nedeniyle II aktin kutupsaldır; bunun önemi aşağıda birleşim dinamikleri tartışmasında tartışılacaktır.Bazı yazarlar alt alanları sırasıyla Ia, Ib, IIa ve IIb olarak adlandırır.

Diğer önemli yapılar

En dikkate değer ikincil yapı, bir β-meander ve bir β-α-β saat yönünde birimden oluşan beş zincirli bir beta sayfasıdır . Proteinin gen duplikasyonundan ortaya çıktığını düşündüren her iki alanda da mevcuttur.

  • Adenosin nükleotid bağlama sahası, iki arasında yer almaktadır , beta saç tokası I ve III alanları ile ilgili şekilli yapılar. İlgili kalıntılar sırasıyla Asp11-Lys18 ve Asp154-His161'dir.
  • İki değerli katyon bağlanma bölgesi, adenosin nükleotidi için olanın hemen altında bulunur. İn vivo olarak en sık oluşur Mg 2+ ya da Ca + 2 ise in vitro bu oluşan bir kenetleme yapısı tarafından oluşturulmaktadır Lys18 ve iki oksijeninin nükleotid en α-ve β- gelen fosfatlar . Bu kalsiyum, Asp11 , Asp154 ve Gln137 amino asitleri tarafından tutulan altı su molekülü ile koordine edilir . Bunlar, 137 ve 144 artıkları arasında yer alan "menteşe" bölgesinin hareketlerini kısıtlayan nükleotit ile bir kompleks oluştururlar. Bu, geri çekilmesi aktin monomerini denatüre edene kadar proteinin doğal formunu korur . Bu bölge, proteinin yarığının "açık" veya "kapalı" konformasyonda olup olmadığını belirlediği için de önemlidir.
  • Daha az afiniteye sahip (orta) en az üç başka merkezin ve çift değerli katyonlar için düşük afiniteye sahip diğer merkezlerin olması kuvvetle muhtemeldir . Bu merkezlerin aktivasyon aşamasında hareket ederek aktin polimerizasyonunda rol oynayabileceği öne sürülmüştür.
  • Alt etki alanı 2'de DNase I ile bağlandığı için “D-loop” olarak adlandırılan bir yapı vardır, His40 ve Gly48 kalıntıları arasında yer alır . Kristallerin çoğunda düzensiz bir element görünümündedir, ancak DNase I ile komplekslendiğinde bir β-tabakasına benzer. nükleotit ile bağın merkezi, bir döngüden bir spirale dönüşen bu alana bağlanır. Ancak, bu hipotez diğer çalışmalar tarafından çürütüldü.

F-aktin

F-aktin; Ken Holmes'un aktin filament modeline dayanan 13 alt birimin tekrarının yüzey temsili

Klasik açıklama F-aktin tek şeritli olarak kabul edilebilir bir ipliksi bir yapıya sahip olduğu durumları sola çeviren sarmal sarmal ekseni etrafında 166 bir dönme ° ve 27.5 bir eksenel tercüme  ya da bir tek şeritli dekstrorotatori sarmal ile 350-380 A'lık bir çapraz aralık, her bir aktin dört tane daha ile çevrilidir. Aktin polimerinin bir sarmalın dönüşü başına 2.17 alt birimindeki simetrisi, yalnızca dönüş başına tam olarak 2, 3, 4 veya 6 alt birim simetrisi ile mümkün olan kristallerin oluşumu ile uyumsuzdur . Bu nedenle, elektron mikroskobu , kriyo-elektron mikroskobu , dimerlerin farklı pozisyonlarda kristalleşmesi ve X ışınlarının kırınımı verilerini kullanarak bu anomalileri açıklayan modeller oluşturulmalıdır . Aktin filamenti kadar dinamik bir molekül için bir “yapı”dan bahsetmenin doğru olmadığını belirtmek gerekir. Gerçekte, farklı yapısal durumlardan bahsediyoruz, bunlarda eksenel öteleme ölçümü 27.5 Å'de sabit kalırken, alt birim dönüş verileri, yaygın olarak görülen optimum konumundan %10'a kadar yer değiştirmeler ile önemli değişkenlik gösterir. Kofilin gibi bazı proteinlerin dönüş açısını arttırdığı görülmektedir, ancak bu yine farklı yapısal durumların kurulması olarak yorumlanabilir. Bunlar polimerizasyon sürecinde önemli olabilir.

Dönüş yarıçapı ve filament kalınlığı ölçümleri konusunda daha az anlaşma vardır: ilk modeller 25 Â uzunluk tayin ederken, kriyo-elektron mikroskobu ile desteklenen mevcut X-ışını kırınım verileri 23.7 Â uzunluk önerir. Bu çalışmalar, monomerler arasındaki kesin temas noktalarını göstermiştir. Bazıları, bir monomerin "dikenli" ucu ile bir sonrakinin "sivri" ucu arasında aynı zincirin birimlerinden oluşur. Bitişik zincirlerdeki monomerler, alt etki alanı IV'ten çıkıntılar yoluyla yanal temas kurarken, en önemli çıkıntılar C-terminali tarafından oluşturulanlar ve 39-42, 201-203 ve 286 kalıntılarını içeren üç gövde tarafından oluşturulan hidrofobik bağlantıdır. model, bir filamanın, alt alanların kendi etrafında döndüğü bir "tabaka" oluşumunda monomerler tarafından oluşturulduğunu öne sürer, bu form aynı zamanda bakteriyel aktin homologu MreB'de de bulunur .

F-aktin polimerinin, tüm mikrofilamentin alt birimlerinin aynı uca doğru işaret etmesi gerçeğinden dolayı yapısal polariteye sahip olduğu kabul edilir. Bu, bir adlandırma kuralına yol açar: ATP bağlama bölgesi açıkta olan bir aktin alt birimine sahip olan uç "(-) uç" olarak adlandırılırken, yarığın farklı bir bitişik monomere yönlendirildiği karşı uç "" olarak adlandırılır. (+) sonu". Mikrofilamentlerin iki ucuna atıfta bulunan "sivri" ve "dikenli" terimleri , numuneler "dekorasyon" adı verilen bir hazırlama tekniğinin ardından incelendiğinde transmisyon elektron mikroskobu altındaki görünümlerinden kaynaklanmaktadır . Bu yöntem, tannik asit ile fikse edilmiş dokuya miyozin S1 fragmanlarının eklenmesinden oluşur . Bu miyozin, aktin monomerleri ile kutupsal bağlar oluşturarak, şaftı aktin ve flörtlerin miyozin olduğu, gövdesi boyunca tüy tüyleri olan oklara benzeyen bir konfigürasyona yol açar. Bu mantığa göre mikrofilamentin çıkıntılı miyozin içermeyen ucu okun ucu (- uç) ve diğer ucu ise dikenli uç (+ uç) olarak adlandırılır. Bir S1 fragmanı, miyozin II'nin baş ve boyun alanlarından oluşur . Fizyolojik koşullar altında, G-aktin ( monomer formu), ATP'nin rolünün esas olduğu ATP tarafından F-aktine ( polimer formu) dönüştürülür .

Kaslarda bulunan sarmal F-aktin filamenti ayrıca F-aktin sarmalının etrafına sarılmış 40 nanometre uzunluğunda bir protein olan bir tropomiyosin molekülü içerir . Dinlenme fazı sırasında tropomiyozin aktin aktif bölgelerini kaplar, böylece aktin-miyozin etkileşimi gerçekleşemez ve kas kasılması üretemez. Tropomiyosin iplik bağlı diğer protein molekülleri vardır, bunlar troponin üç polimerlerden I troponin , T troponin ve C troponin .

katlama

Archaean Pyrococcus horikoshii'de bulunan prefoldin proteinlerinin kristalografları ( PDB : 2ZDI ) üzerinde PyMOL programı kullanılarak elde edilen şerit modeli . Altı süper ikincil yapı, merkezi beta varillerinden "sarkan" sarmal bir sarmalda bulunur . Bunlar genellikle literatürde bir denizanasının dokunaçlarıyla karşılaştırılır . Elektron mikroskobu kullanılarak görülebildiği kadarıyla , ökaryotik prefoldin benzer bir yapıya sahiptir.

Aktin, üçüncül yapısının büyük bir bölümünü kendiliğinden edinebilir . Bununla birlikte, yeni sentezlenmiş doğal formundan tam fonksiyonel formunu elde etme şekli, protein kimyasında özel ve neredeyse benzersizdir. Bu özel yolun nedeni, verimsiz polimerizasyon sonlandırıcıları olarak hareket edebildikleri için toksik olabilen yanlış katlanmış aktin monomerlerinin varlığından kaçınma ihtiyacı olabilir. Bununla birlikte, hücre iskeletinin stabilitesini sağlamanın anahtarıdır ve ayrıca hücre döngüsünü koordine etmek için gerekli bir süreçtir .

Katlamanın doğru bir şekilde gerçekleşmesi için SKK gereklidir. CCT, diğer proteinlerin katlanmasına yardımcı olan büyük bir protein kompleksi olan grup II şaperonindir. CCT, sekiz farklı alt birimden (hetero-oktamerik) oluşan bir çift halkadan oluşur ve Öbakterilerde ve ökaryotik organellerde bulunan GroEL gibi grup I şaperoninlerden , kapak görevi görmesi için bir yardımcı şaperon gerektirmediğinden farklıdır. merkezi katalitik boşluk üzerinde. Substratlar, belirli alanlar aracılığıyla CCT'ye bağlanır. Son zamanlardaki immünopresipitasyon çalışmaları , muhtemelen substrat olarak işlev gören çok sayıda polipeptit ile etkileşime girdiğini göstermesine rağmen , başlangıçta sadece aktin ve tübüline bağlandığı düşünülmüştür . Bir reaksiyonu tamamlamak için ara sıra birkaç serbest bırakma ve kataliz turu gerektiren ATP'ye bağlı konformasyonel değişiklikler yoluyla hareket eder.

Katlanmalarını başarılı bir şekilde tamamlamak için hem aktin hem de tübülin , moleküllerin birlikte evrimleştiği kadar spesifik bir etkileşimde heteroheksamerik bir kompleks olan (altı ayrı alt birimden oluşan) prefoldin adı verilen başka bir proteinle etkileşime girmelidir . Aktin, yaklaşık 145 amino asit uzunluğunda, özellikle N-terminalindekiler olduğunda, henüz oluşma aşamasındayken prefoldin ile kompleksler oluşturur .

Bir miktar örtüşme olmasına rağmen, aktin veya tübülin için farklı tanıma alt birimleri kullanılır. Aktin'de, prefoldin ile bağlanan alt birimler muhtemelen iki yerde biri 60-79 tortuları arasında ve diğeri 170–198 tortuları arasında bağlanan PFD3 ve PFD4'tür. Aktin tanınır, yüklenir ve sitozolik şaperonin'e (CCT) açık bir konformasyonda prefoldinin "dokunaçlarının" iç ucu tarafından iletilir (resme ve nota bakın). Aktin iletildiğinde temas o kadar kısadır ki üçüncül bir kompleks oluşmaz, hemen prefoldini serbest bırakır.

Apikal γ-etki alanının Kurdele modeli şaperonin CCT

CCT daha sonra aktin'i sadece kendi boşluğuna hapsetmek yerine alt birimleriyle bağlar oluşturarak sıralı katlanmasına neden olur. Bu nedenle apikal β-alanında belirli tanıma alanlarına sahiptir. Katlamadaki ilk aşama, 245-249 kalıntılarının tanınmasından oluşur. Ardından, diğer belirleyiciler temas kurar. Hem aktin hem de tübülin, ATP'nin yokluğunda açık konformasyonlarda CCT'ye bağlanır. Aktin durumunda, her konformasyonel değişiklik sırasında iki alt birim bağlanırken, tübülin bağlanması dört alt birim ile gerçekleşir. Aktin, δ ve β-CCT alt birimleri veya δ-CCT ve ε-CCT ile etkileşime giren spesifik bağlanma dizilerine sahiptir. AMP-PNP, CCT'ye bağlandıktan sonra, substratlar şaperonin boşluğu içinde hareket eder. Aktin durumunda, aktin son katlanma durumlarında olası bir kofaktör olarak CAP proteininin gerekli olduğu da görülmektedir.

Bu işlemin düzenlenme şekli hala tam olarak anlaşılmamıştır, ancak PhLP3 proteininin (fosdusine benzer bir protein ) üçüncül bir kompleks oluşumu yoluyla aktivitesini engellediği bilinmektedir .

ATPase'nin katalitik mekanizması

Aktin bir ATPazdır , yani ATP'yi hidrolize eden bir enzimdir . Bu enzim grubu, yavaş reaksiyon hızları ile karakterize edilir. Bu ATPaz'ın "aktif" olduğu, yani aktin bir filamentin parçasını oluşturduğunda hızının yaklaşık 40.000 kat arttığı bilinmektedir. İdeal koşullar altında bu hidroliz hızı için bir referans değeri yaklaşık 0,3 s -1'dir . Sonra, P i bu işbirliği filamanın iç kurtulmuştur kadar bir sonraki uzun süre ADP aktin bağlı kalır.

Katalitik mekanizmanın kesin moleküler detayları hala tam olarak anlaşılamamıştır. Bu konuda çok fazla tartışma olmasına rağmen, ATP'nin hidrolizi için "kapalı" bir konformasyonun gerekli olduğu kesin gibi görünüyor ve sürece dahil olan kalıntıların uygun mesafeye hareket ettiği düşünülüyor. Glutamik asit Glu137 İşlevsel olarak üreten su molekülüne bağlanmak için 1. alt etki alanı içinde yer alan önemli kalıntılarda biridir nükleofilik saldırı ATP γ-fosfat ile bağ nükleotid güçlü alt etki alanları 3 ve 4'e bağlı iken, Katalitik sürecin yavaşlığı, su molekülünün tepkene göre uzaklığı ve eğik konumundan kaynaklanır. Aktin'in G ve F formları arasındaki alanların rotasyonu tarafından üretilen konformasyonel değişikliğin Glu137'yi hidrolizine izin vererek daha yakına hareket ettirmesi oldukça olasıdır. Bu model, polimerizasyon ve ATPaz'ın işlevinin hemen ayrılacağını öne sürüyor. G ve F formları arasındaki "açık"tan "kapalı"ya dönüşüm ve bunun birkaç önemli kalıntının göreli hareketi ve su tellerinin oluşumu üzerindeki etkileri, moleküler dinamikler ve QM/MM simülasyonlarında karakterize edilmiştir .

Genetik

Yapısal proteinlerin temel etkileşimleri, kaderin bazlı yapışık birleşme noktasındadır. Aktin filamentleri α- bağlı aktinin ve içinden zarına vinkülin . Vinkulinin baş bölgesi, α-katenin , β-katenin ve γ-katenin yoluyla E-kadherin ile birleşir . Vinkulinin kuyruk bölgesi, membran lipidlerine ve aktin filamentlerine bağlanır.

Aktin, çok sayıda başka proteinle etkileşime girdiği için evrim boyunca en yüksek düzeyde korunmuş proteinlerden biri olmuştur. Bu% 80.2 sekansına sahip koruma de gen arasındaki seviye Homo sapiens ve Saccharomyces cerevisiae (maya türleri) ve% 95 koruma primer yapısının protein ürününün.

Çoğu mayanın yalnızca tek bir aktin geni olmasına rağmen , daha yüksek ökaryotlar genel olarak, ilgili bir gen ailesi tarafından kodlanan birkaç aktin izoformunu eksprese eder . Memeliler , izoelektrik noktalarına göre üç sınıfa (alfa, beta ve gama) ayrılan ayrı genler tarafından kodlanan en az altı aktin izoformuna sahiptir . Genel olarak, alfa aktinler kasta (α-iskelet, α-aortik düz, α-kardiyak) bulunurken, kas dışı hücrelerde beta ve gama izoformları belirgindir (β-sitoplazmik, γ1-sitoplazmik, γ2-enterik düz) . İzoformların amino asit dizileri ve in vitro özellikleri oldukça benzer olmasına rağmen , bu izoformlar in vivo olarak birbirlerinin yerini tamamen alamazlar .

Tipik aktin geni, yaklaşık olarak 100 nükleotit 5' UTR , 1200 nükleotit çevrilmiş bölge ve 200 nükleotit 3' UTR'ye sahiptir . Aktin genlerinin çoğu intronlar tarafından kesintiye uğrar ve 19 iyi karakterize edilmiş lokasyonun herhangi birinde altı adede kadar intron bulunur. Ailenin yüksek düzeyde korunması, intron evriminin intron-erken ve intron-geç modellerini karşılaştıran çalışmalar için Actin'i tercih edilen model yapar.

Tüm küresel olmayan prokaryotlar , aktin homologlarını kodlayan MreB gibi genlere sahip görünüyor ; bu genler hücrenin şeklinin korunması için gereklidir. Plazmid türevi gen Parm olan polimerize formu olan bir aktin benzeri proteini kodlayan dinamik olarak kararsız ve plazmid bölümü görünmektedir DNA ökaryotik mikrotübüllerin tarafından kullanılana bir mekanizma benzer hücre bölünmesi esnasında yavru hücrelere mitoz . Aktin hem düz hem de pürüzlü endoplazmik retikulumlarda bulunur.

Montaj dinamiği

Çekirdeklenme ve polimerizasyon

G-aktin'i F-aktine dönüştürmek için polimerizasyon mekanizmasını gösteren ince filament oluşumu; ATP'nin hidrolizine dikkat edin.

Aktin polimerizasyonunu uyarmak için çekirdeklenme faktörleri gereklidir. Böyle bir çekirdeklenme faktörü, monomerik G-aktinin çekirdeklenmesini (veya birinci trimerin oluşumunu) uyarmak için bir G-aktin dimerini taklit eden Arp2/3 kompleksidir . ARP2 / 3 kompleksi 70 derece filamanlar aktin mevcut kapalı yeni bir aktin dalları meydana getirmek üzere aktin için bağlanır. Arp2/3 aracılı çekirdeklenme, yönlendirilmiş hücre göçü için gereklidir. Ayrıca aktin filamentlerinin kendileri ATP'ye bağlanır ve bu ATP'nin hidrolizi polimerin kararsızlaşmasını uyarır.

Aktin filamentlerinin büyümesi, thymosin ve profilin tarafından düzenlenebilir . Değişimi G-aktin için profilin bağlandığı, G-aktin için bağlanır, polimerizasyon işlemi tampon Timozin ADP için ATP , filaman F-aktin monomerik dikenli ek olarak, ayrıca son teşvik edilmesi.

F-aktin hem güçlü hem de dinamiktir. Kurucu elemanları kovalent bağlarla birbirine bağlanan DNA gibi diğer polimerlerin aksine , aktin filamentlerinin monomerleri daha zayıf bağlarla birleştirilir. Komşu monomerlerle olan yanal bağlar, termal ajitasyonla kırılabilecekleri için teorik olarak yapıyı zayıflatması gereken bu anomaliyi çözer. Ek olarak, zayıf bağlar, filaman uçlarının monomerleri kolayca serbest bırakabilmesi veya dahil edebilmesi avantajını sağlar. Bu, filamentlerin hızla yeniden şekillenebileceği ve çevresel bir uyarana yanıt olarak hücresel yapıyı değiştirebileceği anlamına gelir. Bunu meydana getiren biyokimyasal mekanizma ile birlikte "birleşim dinamiği" olarak bilinir.

in vitro çalışmalar

Mikrofilamentler tarafından alt birimlerin birikmesine ve kaybına odaklanan çalışmalar in vitro (yani, laboratuvarda ve hücresel sistemlerde değil) gerçekleştirilir, çünkü ortaya çıkan aktinin polimerizasyonu, in vivo üretilenle aynı F-aktine yol açar . İn vivo yöntem hücresel taleplere bu duyarlı hale getirmek için protein bir çok tarafından kontrol edilir, bu da zor, temel koşulların yerine getirilmesi için yapar.

In vitro üretim sıralı bir şekilde gerçekleşir: ilk olarak, iki değerli katyonların bağlanması ve değişiminin ATP'ye bağlı G-aktin üzerindeki belirli yerlerde gerçekleştiği "aktivasyon fazı" vardır. Bu, filaman üzerinde bulunan birimlere çok benzer olduğu için bazen G*-aktin veya F-aktin monomeri olarak adlandırılan bir konformasyonel değişiklik üretir. Bu, onu, G-aktin'in polimerize olabilen küçük kararsız F-aktin fragmanlarına yol açtığı "çekirdeklenme aşaması" için hazırlar. Başlangıçta kararsız dimerler ve trimerler oluşur. "Uzama fazı", bu kısa polimerlerden yeterince fazla sayıda olduğunda başlar. Bu aşamada filaman oluşur ve her iki uçta da yeni monomerlerin tersinir ilavesiyle hızla büyür. Son olarak, G-aktin monomerlerinin toplam uzunluğunda herhangi bir değişiklik olmaksızın mikrofilamentin her iki ucunda değiş tokuş edildiği sabit bir dengeye ulaşılır. Bu son aşamada "kritik konsantrasyon Cc ", dimerlerin ve trimerlerin eklenmesi ve ortadan kaldırılması için dinamiğin mikrofilamentin uzunluğunda bir değişiklik üretmediği, G-aktin için birleşim sabiti ile ayrışma sabiti arasındaki oran olarak tanımlanır. . İn vitro koşullar altında C c 0,1 μM'dir, bu, daha yüksek değerlerde polimerizasyonun meydana geldiği ve daha düşük değerlerde depolimerizasyonun meydana geldiği anlamına gelir.

ATP hidrolizinin rolü

Yukarıda belirtildiği gibi, aktin ATP'yi hidrolize etmesine rağmen, bir yandan hidrolizin esas olarak filament içinde gerçekleştiği ve diğer yandan ADP'nin de olabileceği göz önüne alındığında, her şey aktin'in bir araya gelmesi için ATP'nin gerekli olmadığına işaret eder. polimerizasyonu başlatır. Bu, termodinamik olarak elverişsiz olan hangi sürecin böylesine olağanüstü bir enerji harcamasını gerektirdiğini anlama sorusunu gündeme getiriyor . ATP hidrolizini aktin polimerizasyonuna bağlayan aktin döngüsü, bir filamentin dikenli ucuna tercihli olarak G-aktin-ATP monomerlerinin eklenmesinden ve ADP'nin daha sonra olduğu sivri uçta F-aktin-ADP monomerlerinin aynı anda sökülmesinden oluşur. ATP'ye dönüştürülür, böylece döngü kapanır. Aktin filament oluşumunun bu yönü “koşu bandı” olarak bilinir.

ATP, filamana bir G-aktin monomerinin eklenmesinden hemen sonra nispeten hızlı bir şekilde hidrolize edilir. Bunun nasıl gerçekleştiğine dair iki hipotez vardır; stokastik rastgele hidrolizi göstermektedir, komşu moleküllerin etkilenmiş bir şekilde bir şekilde gerçekleşir; ve hidrolizin yalnızca ATP'si halihazırda hidrolize edilmiş olan diğer moleküllere bitişik olarak gerçekleştiğini öne süren vektörel. Her iki durumda da, sonuçta elde edilen p ı serbest değildir; bir süre için aktin'in ADP'sine kovalent olmayan bir şekilde bağlı kalır . Bu şekilde bir filamentte üç tür aktin bulunur: ATP-Aktin, ADP+P i -Aktin ve ADP-Aktin. Bir filaman içinde mevcut bu türlerin her birinin miktarı, bir uzunluğu ve durumuna bağlıdır: uzama başlamadan filaman ATP ve ADP + P ile bağlanmış monomerlerin aktin yaklaşık olarak eşit miktarda I de ve ADP-Aktin küçük bir miktar (-) son. Durağan durum ADP + P içeren a (+) ucuna yakın filamanın çoğunluğu sadece alan boyunca ADP mevcut olan durum tersine çevirir ulaşıldığında olarak i ucunda ve ATP ile, sadece mevcut.

Yalnızca ADP-Aktin içeren filamentleri ATP içeren filamentlerle karşılaştırırsak, öncekinde kritik sabitler her iki uçta benzerken , diğer iki nükleotid için C c farklıdır: (+) uçta Cc + =0.1 μM, (-) ucundayken Cc =0.8 μM, bu da aşağıdaki durumlara yol açar:

  • Cc + ' dan daha düşük G-aktin-ATP konsantrasyonları için filamentte uzama meydana gelmez.
  • G-aktin-ATP az Cc daha konsantrasyonları için - Cc daha ancak daha + uzama (+) sonunda gerçekleşir.
  • Cc'den daha büyük G-aktin-ATP konsantrasyonları için - mikrofilament her iki uçta da büyür.

Bu nedenle, hidroliz tarafından üretilen enerjinin gerçek bir "durağan durum", yani dinamik, polar ve filamana bağlı basit bir denge yerine bir akı oluşturmak için kullanıldığı sonucunu çıkarmak mümkündür. Bu, temel biyolojik işlevleri desteklediği için enerji harcamasını haklı çıkarır. Ek olarak, farklı monomer tiplerinin konfigürasyonu, aşağıdaki bölümde açıklanacağı gibi, bu dinamizmi de kontrol eden aktin bağlayıcı proteinler tarafından tespit edilir.

Koşu bandıyla mikrofilament oluşumunun stereosilyada atipik olduğu bulunmuştur . Bu durumda yapının boyutunun kontrolü tamamen apikaldir ve bir şekilde gen ekspresyonu ile, yani herhangi bir anda sentezlenen toplam protein monomer miktarı tarafından kontrol edilir.

ilişkili proteinler

Bir aktin (yeşil) - profilin (mavi) kompleksi. Gösterilen profilin, normalde böbreklerde ve beyinde bulunan grup II'ye aittir .

Aktin hücre iskeleti in vivo olarak sadece aktin'den oluşmaz, oluşumu, devamlılığı ve işlevi için başka proteinler gereklidir. Bu proteinlere aktin bağlayıcı proteinler (ABP) denir ve aktin polimerizasyonunda, depolimerizasyonunda, stabilitesinde, demetler veya ağlarda organizasyonda, parçalanmada ve yıkımda rol oynarlar. Bu proteinlerin çeşitliliği, aktin'in en fazla sayıda protein-protein etkileşiminde yer alan protein olduğu düşünülür . Örneğin, mikrofilamentlere dahil edilmesini engelleyen G-aktin ayırma elemanları mevcuttur. Polimerizasyonunu uyaran veya sentezleme ağlarına karmaşıklık kazandıran proteinler de vardır.

  • Timozin β-4 , 1:1 stokiyometride G-aktin-ATP ile bağlanabilen 5 kDa'lık bir proteindir ; bu, bir birim timozin β-4'ün bir birim G-aktine bağlandığı anlamına gelir. Rolü, monomerlerin büyüyen polimere dahil edilmesini engellemektir.
  • Profilin , molekül ağırlığı 15 kDa olan, aynı zamanda 1:1 stokiyometri ile G-aktin-ATP veya -ADP ile de bağlanan, ancak ADP nükleotitlerinin ATP ile yer değiştirmesini kolaylaştırdığından farklı bir işlevi olan sitozolik bir proteindir. . Aynı zamanda , diğer proteinlerdeki prolin tekrarlarının veya ikincil haberciler olarak görev yapan lipidlerin bağlanması gibi diğer hücresel işlevlerde de rol oynar .
Aktin montajı ve demontajında ​​kilit bir düzenleyici olan protein jelsolin . Altı alt alana, S1-S6'ya sahiptir, bunların her biri, biri ipliklere dik ve diğeri paralel bir konumda yerleştirilmiş iki α-helis ile çevrili beş iplikli bir β-tabakadan oluşur . Hem N-terminal ucu (S1-S3) hem de C-terminal ucu (S4-S6), uzatılmış bir β-tabaka oluşturur.

Aktine bağlanan diğer proteinler, mikrofilamentlerin uzunluğunu keserek düzenler, bu da polimerizasyon için yeni aktif uçlara yol açar. Örneğin, iki uçlu bir mikrofilament iki kez kesilirse, altı uçlu üç yeni mikrofilament olacaktır. Bu yeni durum, montaj ve demontaj dinamiklerini desteklemektedir. Bu proteinlerin en dikkate değer olanları gelsolin ve kofilindir . Bu proteinler önce polimerde bulunan bir aktin monomerine bağlanarak bir kesim gerçekleştirirler, daha sonra yeni oluşturulan (+) uca bağlı kalırken aktin monomerinin konformasyonunu değiştirirler . Bu, yeni G-aktin alt birimlerinin eklenmesini veya değiştirilmesini engelleme etkisine sahiptir. (-) uçları başka bir moleküle bağlı olmadığı için depolimerizasyon teşvik edilir.

Aktin ile bağlanan diğer proteinler, onları stabilize etmek için F-aktinin uçlarını kaplar, ancak onları kıramazlar. Bu tip proteinin örnekleri, bir hücrenin Ca2 + / kalmodulin seviyelerine bağlı olarak (+) uçları bağlayan CapZ'dir . Bu seviyeler hücrenin iç ve dış sinyallerine bağlıdır ve biyolojik fonksiyonlarının düzenlenmesinde rol oynar). Başka bir örnek tropomodulindir ((-) ucuna bağlanan). Tropomodulin temel olarak , büyük stabiliteleri ile karakterize edilen yapılar olan kas sarkomerlerinde bulunan miyofibrillerde bulunan F-aktin'i stabilize etmek için hareket eder .

Arp2/3'ün atom yapısı. Her renk bir alt birime karşılık gelir: Arp3, turuncu; Arp2, deniz mavisi (1 ve 2 alt birimleri gösterilmemiştir); p40, yeşil; p34, açık mavi; p20, koyu mavi; p21, macenta; s16, sarı.

ARP2 / 3 kompleksi yaygın olarak tüm bulunan ökaryotik organizmalar. Bazıları biyolojik işlevleriyle açıkça ilişkili bir topolojiye sahip olan yedi alt birimden oluşur : alt birimlerden ikisi, ARP2 ve ARP3, aktin monomerlerininkine benzer bir yapıya sahiptir. Bu homoloji, her iki birimin de G-aktin ve F-aktin polimerizasyonunda çekirdeklenme ajanları olarak hareket etmesine izin verir . Bu kompleks ayrıca dendritik yapıların oluşturulması ve anastomoz (kan damarlarında olduğu gibi daha önce birleştirilmiş olan iki dallanma yapısının yeniden bağlanması) gibi daha karmaşık işlemlerde de gereklidir .

kimyasal inhibitörler

Phalloidinin kimyasal yapısı

Aktin'in polimerleşmesini engelleyerek ( latrunculin ve sitokalasin D ) veya stabilize ederek ( phalloidin ) aktin dinamiklerine müdahale eden bir dizi toksin vardır :

  • Latrunculin, süngerler tarafından üretilen bir toksindir . G-aktine bağlanır ve mikrofilamentlerle bağlanmasını engeller.
  • Cytochalasin D, mantarlar tarafından üretilen , F-aktinin (+) ucuna bağlanan ve yeni monomerlerin eklenmesini önleyen bir alkaloiddir . Sitokalasin D'nin hayvanlarda protein p53'ü aktive ederek aktin dinamiklerini bozduğu bulunmuştur .
  • Phalloidin, ölüm şapkası mantarı Amanita phalloides'ten izole edilmiş bir toksindir . F-aktin polimerindeki bitişik aktin monomerleri arasındaki ara yüze bağlanarak depolimerizasyonunu önler.

Fonksiyonlar ve konum

Aktin formları filamentler ('F-aktin' veya mikrofilamentler ), ökaryotik hücre iskeletinin temel unsurlarıdır ve çok hızlı polimerizasyon ve depolimerizasyon dinamiklerine maruz kalabilirler. Çoğu hücrede aktin filamentleri, hücrelerdeki birçok temel işlev için gerekli olan daha büyük ölçekli ağlar oluşturur:

  • Çeşitli aktin ağları (aktin filamentlerinden yapılmış) hücrelere mekanik destek sağlar ve sinyal iletimine yardımcı olmak için sitoplazma boyunca insan ticareti yolları sağlar.
  • Aktin ağının hızlı montajı ve demontajı, hücrelerin göç etmesini sağlar ( Hücre göçü ).
  • Gelen metazoon kas hücreleri, üzerinde iskelesi için miyozin proteinleri destek kas kontraksiyonu kuvvet üretir.
  • Kas dışı hücrelerde, miyozin V ve VI gibi kargo taşıma miyozinleri (konvansiyonel olmayan miyozinler) için bir yol olmak. Konvansiyonel olmayan miyozinler, veziküller ve organeller gibi kargoları difüzyondan çok daha hızlı bir şekilde taşımak için ATP hidrolizini kullanır . Miyozin V, aktin filamentlerinin dikenli ucuna doğru yürürken, miyozin VI sivri ucuna doğru yürür. Aktin filamentlerinin çoğu, dikenli ucu hücresel zara ve sivri ucu hücresel iç kısma doğru olacak şekilde düzenlenir. Bu düzenleme, miyozin V'nin kargo ihracatı için etkili bir motor olmasına ve miyozin VI'nın ithalat için etkili bir motor olmasına izin verir.

Aktin proteini hem sitoplazmada hem de hücre çekirdeğinde bulunur . Konumu, bir hücrenin yanıt olarak aktin ağlarının yeniden yapılandırılmasını uyararak aldığı uyaranları entegre eden hücre zarı sinyal iletim yolları tarafından düzenlenir . Gelen Dictyostelium , fosfolipaz D müdahale bulunmuştur inositol fosfat yollarının. Aktin filamentleri özellikle stabildir ve kas liflerinde bol miktarda bulunur . İçinde sarkomerinde (kas lifleri temel morfolojik ve fizyolojik birimi) aktin hem I ve bir bant bulunur; miyozin de ikincisinde bulunur.

hücre iskeleti

Sıçan fibroblastlarında F-aktin'i (yeşil) gösteren floresan mikrografı

Mikrofilamentler, kaslı olmayan tipler de dahil olmak üzere tüm mobil hücrelerin hareketinde yer alır ve F-aktin organizasyonunu bozan ilaçlar ( sitokalasinler gibi ) bu hücrelerin aktivitesini etkiler. Aktin, hepatositlerdeki toplam protein miktarının % 2'sini , fibroblastlarda %10'unu , amiplerde %15'ini ve aktive trombositlerde % 50-80'e kadarını oluşturur . Biraz farklı yapı ve işlevlere sahip bir dizi farklı aktin türü vardır. Bu, α-aktin'in yalnızca kas liflerinde bulunduğu, diğer hücrelerde ise β ve γ tiplerinin bulunduğu anlamına gelir . Ek olarak, ikinci tipler yüksek devir hızına sahip olduklarından, çoğu kalıcı yapıların dışında bulunur. Bu, kas hücreleri dışındaki hücrelerde bulunan mikrofilamentlerin üç şekilde mevcut olduğu anlamına gelir:

Bir hücre içindeki aktin filamentlerini gösteren birleştirilmiş konfokal görüntü yığını. Görüntü, filamentlerin hücreler içinde hangi yüksekliklerde bulunabileceğini 2 boyutlu bir görüntüde göstermek için z ekseninde renk kodludur.
  • Mikrofilament demetleri - Bu aşırı uzun mikrofilamentler ağlarda bulunur ve kas dışı miyozin gibi kontraktil proteinlerle birlikte hücre içi düzeyde maddelerin hareketine katılırlar.
  • Periyodik aktin halkaları - Son zamanlarda, özellikle aksonlarda ( dendritlerde değil ) bulunan, eşit aralıklarla yerleştirilmiş aktin halkalarından oluşan periyodik bir yapının bulunduğu bulunmuştur . Bu yapıda aktin halkaları, komşu aktin halkalarını birbirine bağlayan spektrin tetramerleri ile birlikte akson zarını destekleyen kohezif bir hücre iskeleti oluşturur. Yapı periyodikliği, aksonlardaki sodyum iyon kanallarını da düzenleyebilir .

mayalar

Actin en hücre iskeleti süreçlerine anahtar endositoz , sitokinez , belirlenmesi hücre polarite ve morfojenezinin içinde maya . Bu süreçler, aktine dayanmaya ek olarak, birçok sinyal molekülü ile birlikte, tümü yüksek derecede evrimsel korumaya sahip olan 20 veya 30 ilişkili proteini içerir. Birlikte bu öğeler, bir hücrenin hem iç hem de dış uyaranlara tepkisini tanımlayan uzamsal ve zamansal olarak modüle edilmiş bir düzeneğe izin verir.

Mayalar, aktin ile ilişkili üç ana element içerir: yamalar, kablolar ve halkalar, uzun süredir bulunmamalarına rağmen, sürekli polimerizasyon ve depolimerizasyon nedeniyle dinamik bir dengeye tabidir. 16kDa moleküler ağırlığa sahip olan ve COF1 adı verilen tek bir gen tarafından kodlanan ADF/kofilin dahil olmak üzere bir dizi yardımcı proteine ​​sahiptirler ; Aip1, mikrofilamentlerin sökülmesini destekleyen bir kofilin kofaktörü; adenilat siklaz proteinleri ile ilgili bir proses düzenleyici olan Srv2/CAP ; aktin monomerleri ile ilgili/ilişkili yaklaşık 14 kDa moleküler ağırlığa sahip bir profilin; ve yamaların organizasyonunda yer alan 40 kDa'lık bir protein olan twinfilin.

Bitkiler

Bitki genomu çalışmaları, aktin gen ailesi içinde protein izovaryanlarının varlığını ortaya çıkarmıştır. İçinde Arabidopsis thaliana , bir dikotiledon'dan bir şekilde kullanılan model organizma , on aktin türleri, α-tübülinleri olan dokuz altı β-tübülinler altı profılinleri ve miyosinler düzinelerce vardır. Bu çeşitlilik, zamansal ve uzamsal ifadelerinde biraz farklılık gösteren varyantlara sahip olmanın evrimsel gerekliliği ile açıklanır. Bu proteinlerin çoğu, analiz edilen dokuda birlikte eksprese edildi . Aktin ağları, in vitro olarak yetiştirilen hücrelerin sitoplazmasına dağılmıştır . Çekirdek çevresinde, tellerle hücresel kortekse bağlanan bir ağ konsantrasyonu vardır, bu ağ, sürekli bir polimerizasyon ve depolimerizasyon ile oldukça dinamiktir.

Yapı C-terminal alt alan villin , bölme mikrofilamanlardan bir proteini

Bitki hücrelerinin çoğunluğunun morfolojilerini tanımlayan ve hareketlerini engelleyen bir hücre duvarı olmasına rağmen, mikrofilamentleri, mikrofilamentler ve miyozin tarafından üretilen sitoplazmik akımlar gibi bir dizi hücresel aktiviteyi gerçekleştirmek için yeterli gücü üretebilir. Aktin ayrıca organellerin hareketinde ve hücre bölünmesinin yanı sıra hücrenin uzamasını ve farklılaşmasını içeren hücresel morfogenezde de rol oynar .

Bitkilerde aktin hücre iskeletinin ile ilişkili en önemli proteinlerin şunlardır: villin aynı ailesine ait, jelsolin , kalsiyum katyonları mevcudiyetinde monomerlerin aktin / Severin ve kesme mikrofilamanlardan edebilir ve bağlanır; aktin monomerlerini tanıyabilen ve birleştirebilen ve ağların oluşumunda yer alan fimbrin (hayvanlar ve mayalardan farklı bir düzenleme süreci ile); bir F-aktin polimerizasyon çekirdekleştirici ajan olarak hareket edebilen forminler ; miyozin , ökaryotlara özgü ve Arabidopsis thaliana'da iki ayrı sınıfta 17 gen tarafından kodlanan tipik bir moleküler motor ; Aktin bağlayabilen ve hücredeki kloroplastların uzaysal dağılımında rol oynayan CHUP1 ; Golgi aygıtının morfolojisinin yanı sıra hücre duvarındaki ksiloglukanların bileşimini tanımlayan KAM1/MUR3 ; Aktin hücre yapılarının ortaya çıkmasını kolaylaştıran NtWLIM1; ve zarlar ve mikrofilamentler içindeki organellerin birleşmesinde rol oynayan ve bir organizmanın strese tepkisinde rol oynayan bir rol oynuyor gibi görünen ERD10 .

nükleer aktin

Nükleer aktin ilk olarak 1977'de Clark ve Merriam tarafından fark edilmiş ve tanımlanmıştır. Yazarlar, Xenopus laevis oositlerinden elde edilen ve iskelet kası aktiniyle aynı özellikleri gösteren nükleer fraksiyonda bulunan bir proteini tarif etmektedirler . O zamandan beri çekirdekteki aktin yapısı ve işlevleri hakkında birçok bilimsel rapor var (inceleme için bakınız: Hofmann 2009.) Çekirdekteki kontrollü aktin seviyesi, aktin bağlayıcı proteinler (AKP) ile etkileşimi ve varlığı hakkında birçok bilimsel rapor var. Farklı izoformların bulunması, aktin'in birçok önemli nükleer süreçte önemli bir rol oynamasına izin verir.

Aktin'in çekirdek zarından taşınması

Aktin dizisi bir nükleer lokalizasyon sinyali içermez. Aktin'in küçük boyutu (yaklaşık 43 kDa), pasif difüzyon yoluyla çekirdeğe girmesine izin verir. Ancak aktin sitoplazma ile çekirdek arasında oldukça hızlı hareket eder, bu da aktif taşımanın varlığını gösterir. Aktin'in çekirdeğe alınması (muhtemelen kofilin ile bir kompleks içinde) ithalat proteini importin 9 tarafından kolaylaştırılır.

Çekirdekteki düşük aktin seviyesi çok önemli görünmektedir, çünkü aktin dizisinde iki nükleer ihracat sinyali (NES) vardır. Mikroenjekte edilen aktin, çekirdekten sitoplazmaya hızla çıkarılır. Aktin, ihracat 1 (EXP1) ve ihracat 6 (Exp6) olmak üzere en az iki şekilde ihraç edilir .

SUMOylation gibi spesifik modifikasyonlar, nükleer aktin tutulmasına izin verir. SUMOylation'ı önleyen bir mutasyonun, çekirdekten beta aktin hızlı ihracatına neden olduğu gösterilmiştir.

Deneysel sonuçlara dayanarak, genel bir nükleer aktin taşıma mekanizması önerilebilir:

  • Sitoplazmada kofilin, ADP-aktin monomerlerini bağlar. Bu kompleks aktif olarak çekirdeğe aktarılır.
  • Çekirdekte (sitoplazmaya kıyasla) daha yüksek ATP konsantrasyonu, aktin-kofilin kompleksinde ADP'den ATP'ye değişimini teşvik eder. Bu, bu iki proteinin bağlanma gücünü zayıflatır.
  • Kofilin-aktin kompleksi nihayet nükleer LIM kinaz ile kofilin fosforilasyonundan sonra ayrışır.
  • Aktin SUMOillenir ve bu formda çekirdeğin içinde tutulur.
  • Aktin, profilin ile kompleksler oluşturabilir ve exportin 6 yoluyla çekirdeği terk edebilir.

Nükleer aktin organizasyonu

Nükleer aktin esas olarak bir monomer olarak bulunur, ancak aynı zamanda dinamik oligomerler ve kısa polimerler de oluşturabilir. Nükleer aktin organizasyonu farklı hücre tiplerinde farklılık gösterir. Örneğin, Xenopus oositlerinde (somatik hücrelere kıyasla daha yüksek nükleer aktin seviyesi olan) aktin, çekirdek yapısını stabilize eden filamentler oluşturur. Bu filamentler, floroforla konjuge phalloidin boyaması sayesinde mikroskop altında gözlemlenebilir.

Ancak somatik hücre çekirdeklerinde aktin filamentleri bu teknik kullanılarak gözlenemez. DNase I inhibisyon tahlili, şimdiye kadar doğrudan biyolojik numunelerde polimerize aktin miktarının belirlenmesine izin veren tek test, endojen nükleer aktin'in gerçekten de esas olarak monomerik bir biçimde meydana geldiğini ortaya çıkarmıştır.

Hücre çekirdeğinde, sitoplazmadakinden daha düşük, tam olarak kontrol edilen aktin seviyesi, filament oluşumunu engeller. Polimerizasyon ayrıca ABP'lerle, özellikle de kofilinle kompleksler halinde bağlanan aktin monomerlerine sınırlı erişim nedeniyle de azalır.

Hücre çekirdeğindeki aktin izoformları

Aktin izoformlarına çok az dikkat edilir; ancak hücre çekirdeğinde aktin'in farklı izoformlarının bulunduğu gösterilmiştir. Aktin izoformları, yüksek dizi benzerliğine rağmen, polimerizasyon ve depolimerizasyon kinetiği gibi farklı biyokimyasal özelliklere sahiptir. Ayrıca farklı yerelleştirme ve işlevler gösterirler.

Hem sitoplazmada hem de çekirdekteki aktin izoformlarının seviyesi, örneğin hücre büyümesinin uyarılmasına veya çoğalma ve transkripsiyonel aktivitenin durdurulmasına yanıt olarak değişebilir.

Nükleer aktin ile ilgili araştırma endişeleri genellikle izoform betaya odaklanır. Bununla birlikte, farklı aktin izoformlarına karşı yönlendirilen antikorların kullanımı, yalnızca hücre çekirdeğindeki sitoplazmik betayı değil, aynı zamanda:

  • insan melanomunun hücre çekirdeğindeki gama aktin,
  • fare miyoblastlarının çekirdeklerindeki alfa iskelet kası aktin,
  • sitoplazmik gama aktin ve ayrıca fetal fare fibroblastının çekirdeğindeki alfa düz kas aktin

Aktin'in farklı izoformlarının mevcudiyeti, özellikle bireysel izoformların seviyesi bağımsız olarak kontrol edilebildiğinden, nükleer süreçlerdeki işlevi üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir.

Nükleer aktin fonksiyonları

Aktin'in çekirdekteki işlevleri, polimerleşme yeteneği ve çeşitli ABP'ler ve çekirdeğin yapısal elemanları ile etkileşimi ile ilişkilidir. Nükleer aktin şunları içerir:

  • Çekirdeğin mimarisi - Aktin'in alfa II-spektrin ve diğer proteinlerle etkileşimi , çekirdeğin uygun şeklini korumak için önemlidir.
  • Transkripsiyon - Aktin, kromatin yeniden düzenlenmesi, transkripsiyonun başlatılması ve transkripsiyon kompleksi ile etkileşime girer. Aktin, RNA polimeraz I, II ve III ile etkileşime girerek kromatin yapısının düzenlenmesinde yer alır. Pol I transkripsiyonunda aktin ve miyozin ( DNA'ya bağlanan MYO1C ) moleküler motor görevi görür . Pol II transkripsiyonu için, ön-başlatma kompleksinin oluşumu için β-aktin gereklidir. Pol III, alt birim olarak β-aktin içerir. Aktin ayrıca kromatin yeniden modelleme komplekslerinin yanı sıra mRNP öncesi partiküllerin (yani, proteinlerde paketlenmiş haberci haberci RNA'nın habercisi) bir bileşeni olabilir ve RNA'ların ve proteinlerin nükleer ihracatında rol oynar.
  • Gen aktivitesinin düzenlenmesi – Aktin, farklı türdeki genlerin düzenleyici bölgelerine bağlanır. Aktin'in gen aktivitesini düzenleme yeteneği, farklılaşmış hücrelerin embriyonik durumlarına geri dönmesini sağlayan moleküler yeniden programlama yönteminde kullanılır.
  • Aktive edilmiş kromozom fragmanının membran altından transkripsiyonun başladığı ökromatine translokasyonu . Bu hareket, aktin ve miyozin etkileşimini gerektirir.
  • Farklı hücresel bölmelerin entegrasyonu . Aktin, sitoplazmik ve nükleer sinyal iletim yollarını birleştiren bir moleküldür. Bir örnek, hücrelerin in vitro olarak serum stimülasyonuna yanıt olarak transkripsiyonun aktivasyonudur .
  • Bağışıklık yanıtı - Nükleer aktin, T-hücresi reseptör stimülasyonu üzerine polimerleşir ve in vivo sitokin ekspresyonu ve antikor üretimi için gereklidir .

Aktin, konformasyonel değişikliklere uğrama ve birçok proteinle etkileşime girme kabiliyeti nedeniyle, transkripsiyonel kompleks gibi protein komplekslerinin oluşum ve aktivitesinin düzenleyicisi olarak görev yapar.

Kas kasılması

Aktin içeren iskelet kaslarının temel morfolojik ve fonksiyonel birimi olan sarkomerin yapısı

Kas kasılmasının ana hatları

Kas hücrelerinde, aktomiyosin miyofibrilleri sitoplazmik materyalin çoğunu oluşturur. Bu miyofibriller, ince aktin filamentlerinden (tipik olarak yaklaşık 7 nm çapında) ve motor-protein miyozinin kalın filamentlerinden (tipik olarak yaklaşık 15 nm çapında) yapılır. Bu miyofibriller , kas kasılması gibi hücre hareketlerini oluşturmak için ATP'den türetilen enerjiyi kullanır . ATP'nin enerji için hidrolizini kullanan miyozin başları, ince filamentlere bağlandıkları, bir gerilim uyguladıkları ve daha sonra yüke bağlı olarak, ince filamentlerin kaymasına neden olan ve kası kısaltan bir güç darbesi gerçekleştirdikleri bir döngüye girer.

Kasılma demetlerinde, aktin demetleyici protein alfa- aktinin, her ince filamenti ≈35 nm ile ayırır. Mesafedeki bu artış, kalın filamentlerin araya girmesine ve etkileşime girmesine izin vererek deformasyon veya büzülmeyi mümkün kılar. Deformasyonda, miyozinin bir ucu plazma zarına bağlanırken diğer ucu aktin filamentinin artı ucuna doğru "yürür". Bu, zarı hücre korteksine göre farklı bir şekle sokar . Kasılma için, miyozin molekülü genellikle iki ayrı filamente bağlanır ve her iki uç da aynı anda filamentlerinin artı ucuna doğru "yürür", aktin filamentlerini birbirine daha yakın kaydırır. Bu, aktin demetinin (filamanın değil) kısalmasına veya büzülmesine neden olur. Bu mekanizma, bir hücrenin ikiye bölünmesi olan kas kasılması ve sitokinezden sorumludur .

Aktin'in kas kasılmasındaki rolü

Kaslarda bulunan sarmal F-aktin filamenti ayrıca F-aktin sarmalının etrafına sarılmış 40 nanometrelik bir protein olan bir tropomiyosin molekülü içerir . Dinlenme fazı sırasında tropomiyozin aktin aktif bölgelerini kaplar, böylece aktin-miyozin etkileşimi gerçekleşemez ve kas kasılması üretemez (etkileşim iki protein arasında bir harekete yol açar, bu birçok kez tekrarlandığından bir kasılma üretir) . Tropomiyosin iplik bağlı diğer protein molekülleri vardır, bunlar şunlardır troponin üç polimerlerden I troponin , T troponin ve C troponin . Tropomiyosinin düzenleyici işlevi, Ca2 + iyonlarının varlığında troponin ile etkileşimine bağlıdır .

Hem aktin hem de miyozin , kas kasılması ve gevşemesinde rol oynar ve kas proteininin %90'ını oluştururlar. Genel süreç, tipik olarak , iç kısımları aktin ve miyozin filamentleri açısından zengin olan özel hücreler içeren kası uyaran bir aksiyon potansiyeli yoluyla, harici bir sinyal tarafından başlatılır . Kasılma-gevşeme döngüsü aşağıdaki adımlardan oluşur:

  1. Sarkolemmanın depolarizasyonu ve bir aksiyon potansiyelinin T-tübüller yoluyla iletilmesi .
  2. Açılış Sarkoplazmik retikulum sitesindeki Ca + 2 kanal.
  3. Sitozolik Ca2 + konsantrasyonlarının artması ve bu katyonların troponin ile etkileşiminin yapısında konformasyonel bir değişikliğe neden olması . Bu da aktin aktif bölgesini kaplayan tropomiyozinin yapısını değiştirerek miyozin-aktin çapraz bağlarının (ikincisi ince filamentler halinde bulunur) oluşumuna izin verir.
  4. Miyozin başlarının ince filamentler üzerinde hareketi, bu ATP'yi içerebilir veya ATP'den bağımsız olabilir. Miyozin başlarındaki ATPaz aktivitesinin aracılık ettiği eski mekanizma, aktin filamentlerinin Z diskine doğru hareketine neden olur .
  5. Ca2 + sarkoplazmik retikulum tarafından yakalanır ve aktin-miyozin etkileşimini engelleyen tropomiyozinde yeni bir konformasyonel değişikliğe neden olur.

Diğer biyolojik süreçler

C. elegans'ın ilk embriyonik hücre bölünmesi sırasında aktin dinamiğinin floresan görüntülemesi . İlk olarak, aktin filamentleri hücrenin üst kısmında bir araya gelerek asimetrik hücre bölünmesine katkıda bulunur . Daha sonra, 10 s'de kasılma aktin halkasının oluşumu gözlemlenebilir.

Aktin fonksiyonunun geleneksel görüntüsü, onu hücre iskeletinin korunması ve dolayısıyla organellerin organizasyonu ve hareketi ile bir hücrenin şeklinin belirlenmesi ile ilişkilendirir. Bununla birlikte, aktin, prokaryotlardaki benzer işlevlere ek olarak, ökaryotik hücre fizyolojisinde daha geniş bir role sahiptir .

  • sitokinez . Hayvan hücrelerinde ve mayalarda hücre bölünmesi normalde ana hücrenin merkezi çevrenin daralması yoluyla iki yavru hücreye ayrılmasını içerir. Bu süreç, aktin, miyozin, anilin ve a- aktinin'den oluşan daraltıcı bir halka içerir . Yarıklı maya içinde Schizosaccharomyces pombe , aktin aktif katılımıyla daraltıcı bir halka içinde oluşturulduğu ARP3 , formin Cdc12, profılın ve yaban arısı önceden oluşturulmuş mikrofilamanlar ile birlikte. Halka oluşturulduktan sonra yapı, Arp2/3 kompleksi ve formlarının yardımıyla, sitokinezin merkezi süreçlerinden birinin anahtarı olan sürekli bir montaj ve demontajla korunur . Kasılma halkasının, iğ aparatının , mikrotübüllerin ve yoğun çevresel malzemenin toplamına "Fleming gövdesi" veya "ara gövde" denir.
  • Apoptoz . Programlanmış hücre ölümü sırasında , ICE/ced-3 proteaz ailesi (interlökin-1β-dönüştürücü proteazlardan biri) aktini in vivo olarak iki parçaya indirger ; parçalardan biri 15 kDa, diğeri ise 31 kDa'dır. Bu, apoptozun temelini oluşturan hücre canlılığını yok etmede yer alan mekanizmalardan birini temsil eder. Proteaz kalpainin de bu tip hücre yıkımında rol oynadığı gösterilmiştir; tıpkı kalpain inhibitörlerinin kullanımının aktin proteolizini ve DNA'nın bozulmasını (apoptozun karakteristik unsurlarından bir diğeri) azalttığının gösterilmesi gibi . Öte yandan, apoptozun stres kaynaklı tetiklenmesi, aktin hücre iskeletinin yeniden düzenlenmesine (polimerizasyonunu da içerir) neden olarak, stres lifleri adı verilen yapılara yol açar ; bu, MAP kinaz yolu tarafından aktive edilir .
İki hücrenin epitelini birleştiren bir yapı olan zonula oklüdens veya sıkı bağlantı şeması . Aktin, yeşil ile gösterilen bağlantı elemanlarından biridir.
  • Hücre yapışması ve gelişimi . Hücreler arasındaki yapışma , doku uzmanlaşmasını sağlayan ve dolayısıyla hücre karmaşıklığını artıran çok hücreli organizmaların bir özelliğidir . Hücre yapışması, epitel katılan hücrelerin yanı sıra her bir aktin hücre iskeleti içerir kadherinlerin aracılık ettiği ikisi arasındaki bağlantı ile hücre dışı elemanları olarak hareket eden kateninler . Aktin dinamiğine müdahale etmenin bir organizmanın gelişimi için yansımaları vardır, aslında aktin o kadar önemli bir unsurdur ki, artık gen sistemleri mevcuttur. Örneğin, Dictyostelium'da a-aktinin veya jelasyon faktörü geni çıkarılmışsa, bireyler muhtemelen proteinlerin her birinin diğerinin işlevini yerine getirebilmesi nedeniyle anormal bir fenotip göstermez . Bununla birlikte, her iki gen türünden yoksun olan çift ​​mutasyonların gelişimi etkilenir.
  • Gen ekspresyonu modülasyonu. Aktin'in polimerizasyon durumu, gen ekspresyonunun modelini etkiler . 1997'de, Schwann hücrelerinde sitokalasin D aracılı depolimerizasyonun , bu tip sinir hücrelerinin miyelinizasyonunda yer alan genler için spesifik bir ekspresyon modeline neden olduğu keşfedildi . F-aktin'in, mantar Candida albicans gibi tek hücreli organizmaların bazı yaşam evrelerinde transkriptomu değiştirdiği gösterilmiştir . Buna ek olarak, aktin benzer proteinler sırasında düzenleyici bir rol oynadığı spermatogenez olarak farelerde proteinler gibi aktin-düzenlenmesinde bir rol oynadığı düşünülmektedir, mayalarda ve gen ekspresyonu . Aslında aktin, RNA polimerazları ve transkripsiyon sürecinde yer alan diğer enzimlerle etkileşime giren bir tür nükleer miyozin ile reaksiyona girdiğinde bir transkripsiyon başlatıcısı olarak hareket edebilir .
  • Stereosilya dinamiği. Bazı hücreler, yüzeylerinde mekanik duyusal işleve sahip ince dolgu şeklinde büyümeler geliştirir . Örneğin bu tip organel kulakta bulunan Corti Organında bulunur . Bu yapıların temel özelliği uzunluklarının değiştirilebilmesidir. Stereosilyanın moleküler mimarisi , bitişik sitozolde bulunan monomerlerle dinamik dengede bir parakristal aktin çekirdeği içerir . Tip VI ve VIIa miyozinler bu çekirdekte bulunurken, miyozin XVa ekstremitelerinde stereosilyanın uzunluğuyla orantılı miktarlarda bulunur.
  • İç kiralite . Actomyosin ağları, bireysel hücrelerde içsel bir kiralitenin üretilmesinde rol oynamıştır. Kiral yüzeylerde büyütülen hücreler, aktomiyosine bağlı olan bir yönlü sol/sağ önyargı gösterebilir.

moleküler patoloji

Memelilerin çoğu altı farklı aktin genine sahiptir . Bunlardan ikisi hücre iskeletini ( ACTB ve ACTG1 ) kodlarken , diğer dördü çizgili çizgili kas ( ACTA1 ), düz kas dokusu ( ACTA2 ), bağırsak kasları ( ACTG2 ) ve kalp kası ( ACTC1 ) ile ilgilidir. Hücre iskeletindeki aktin , HIV de dahil olmak üzere birçok enfeksiyöz ajanın patojenik mekanizmalarında yer alır . Aktin'i etkileyen mutasyonların büyük çoğunluğu, nemalin miyopatide yer alan altı mutasyon dışında, baskın etkiye sahip nokta mutasyonlarıdır . Bunun nedeni, birçok durumda aktin monomerinin mutantının, F-aktinin uzamasını önleyerek bir "başlık" görevi görmesidir.

ACTA1 ile ilişkili patoloji

ACTA1 ,insan iskelet çizgili kaslarında baskın olan aktinα- izoformunu kodlayan gendir, ancak kalp kasında ve tiroid bezinde de eksprese edilir. Bu DNA dizisi, yedi oluşur ekson beş bilinen üretmek transkript . Bunların çoğu, amino asitlerin yer değiştirmesine neden olan nokta mutasyonlarından oluşur. Mutasyonlar, çoğu durumda, rahatsızlığın şiddetini ve seyrini belirleyenbir fenotip ile ilişkilidir.

Dev nemaline çubuklar tarafından üretilen transfeksiyon a DNA dizisinin bir ACTA1 bir taşıyıcısıdır, mutasyon nemaline miyopati sorumlu

Mutasyon, iskelet kaslarının yapısını ve işlevini değiştirerek üç miyopati biçiminden birini oluşturur : tip 3 nemalin miyopati , aşırı ince miyofilamentli konjenital miyopati (CM) ve lif tipi orantısız konjenital miyopati (CMFTD). Çekirdek miyopatiler üreten mutasyonlar da bulunmuştur . Fenotipleri benzer olsa da, bazı uzmanlar tipik nemalin miyopatisine ek olarak, aktinik nemalin miyopatisi adı verilen başka bir miyopati türünü ayırt eder. İlkinde, tipik çubuklar yerine aktin kümeleri oluşur. Bir hasta bunlardan birinin daha gösterilebileceği anlamına durumuna önemlidir fenotipleri bir de biyopsi . En yaygın semptomlar tipik bir yüz morfolojisi (miyopatik fasiyes ), kas zayıflığı, motor gelişimde gecikme ve solunum güçlüklerinden oluşur. Hastalığın seyri, ağırlığı ve ortaya çıktığı yaş değişkendir ve örtüşen miyopati biçimleri de bulunur. Nemalin miyopatisinin bir belirtisi, tip 1 kas liflerinde "nemalin çubuklarının" farklı yerlerde ortaya çıkmasıdır. Bu çubuklar , sarkomerde bulunan Z disklerine benzer bir bileşime sahip patognomonik olmayan yapılardır .

Patogenezi bu miyopati çok değişir. Birçok mutasyon, aktin'in nükleotid bağlanma bölgelerine yakın girinti bölgesinde meydana gelirken, diğerleri Alan 2'de veya ilişkili proteinlerle etkileşimin meydana geldiği alanlarda meydana gelir. Bu, Nemalin veya İntranükleer Cisimler veya Zebra Cisimleri gibi bu durumlarda oluşan çok çeşitli kümeleri açıklamanın bir yolunu bulur. Aktin katlanmasındaki değişiklikler, nemalin miyopatisinde olduğu kadar agregasyonunda da meydana gelir ve ayrıca diğer ilişkili proteinlerin ifadesinde de değişiklikler vardır . İntranükleer cisimlerin bulunduğu bazı varyantlarda, katlamadaki değişiklikler, çekirdeğin protein ihracat sinyalini maskeler, böylece aktin mutasyona uğramış formunun birikimi hücre çekirdeğinde gerçekleşir . Öte yandan, bir CFTDM'ye yol açan ACTA1 mutasyonlarının sarkomerik fonksiyon üzerinde, yapısından daha büyük bir etkiye sahip olduğu görülmektedir. Son araştırmalar, çubuk sayısı ile kas zayıflığı arasında net bir ilişki olmadığını öne süren bu bariz paradoksu anlamaya çalıştı. Bazı mutasyonların tip II kas liflerinde daha büyük bir apoptoz oranını indükleyebildiği görülmektedir .

ACTA1 ile ilgili çeşitli aktinopatilerle ilgili yedi mutasyonun konumu

düz kasta

Düz kas dokusunda aktinleri kodlayan iki izoform vardır :

ACTG2 dokuz sahiptir izoformun, aktin büyük kodlayan eksonlar 5' ucunda yer biri değil bir, bunlardan, tercüme . Enterik düz kasta ifade edilen bir γ-aktindir. Mikrodiziler , bu proteinin sisplatin kullanılarak kemoterapiye dirençli vakalarda daha sık eksprese edildiğinigöstersede, bu gende patolojilere karşılık gelen hiçbir mutasyon bulunmamıştır.

ACTA2 , düz kasta ve ayrıca vasküler düz kasta bulunan bir α-aktini kodlar. MYH11 mutasyonunun kalıtsal torasik aort anevrizmalarının en az %14'ünden,özellikle Tip 6'dansorumlu olabileceği kaydedilmiştir. Bunun nedeni, mutasyona uğramış varyantın yanlış bir filament düzeneği oluşturması ve vasküler düz kas kasılması için azaltılmış bir kapasite oluşturmasıdır. Bu bireylerdeaort vasa vazorumunun darlığının yanı sıradüzensizlik ve hiperplazi alanları ile birlikte aort ortamının bozulmasıkaydedilmiştir. Genin dahil olduğu rahatsızlıkların sayısı artıyor. Bu ilişkili olmuştur Moyamoya hastalığıdır ve heterozigot bazı mutasyonlar Torasik aort anevrizması ve birçok vasküler patolojiler, bir yatkınlık görüşmek olabilir muhtemel görünmektedir iskemik kalp hastalığı . Düz kaslarda bulunan α-aktin de karaciğer sirozunun ilerlemesini değerlendirmek için ilginç bir belirteçtir.

kalp kasında

ACTC1 kalp kasında α-aktin izoformu mevcut geni kodlar. İlk olarak Hamada ve çalışma arkadaşları tarafından 1982'de beş intron tarafından kesintiye uğratıldığı tespit edildiğinde sıralandı. Patolojik süreçlerde rol oynayan alellerin bulunduğu altı genden ilkiydi.

Dilate kardiyomiyopati belirtileri gösteren bir sıçan kalbinin kesiti

Tip 1R dilate kardiyomiyopati ve Tip 11 hipertrofik kardiyomiyopati gibi kalbin hatalı çalışmasına neden olan bu genin nokta mutasyonları ile ilişkili bir dizi yapısal bozukluk tarif edilmiştir . Atriyal septumun bazı kusurları, son zamanlarda bu mutasyonlarla da ilişkili olabilen tanımlanmıştır.

Z disklerine bağlanan ve serpiştiren protein alanlarına ait yüksek oranda korunmuş amino asitlerin yer değiştirmesini içeren iki dilate kardiyomiyopati vakası incelenmiştir . Bu genleştirme, iletimi ile ilgili bir kusur tarafından üretilir teorisine yol açtı kasılma kuvveti olarak miyositler .

ACTC1'deki mutasyonlar, hipertrofik kardiyomiyopatilerin en az %5'inden sorumludur. Bir dizi nokta mutasyonunun varlığı da bulunmuştur:

  • Mutasyon E101K: aktomiyosin bağlama bölgesinde net yük değişiklikleri ve zayıf bir elektrostatik bağlantının oluşumu.
  • P166A: aktin monomerleri arasındaki etkileşim bölgesi.
  • A333P: aktin-miyozin etkileşim bölgesi.

Patogenez, telafi edici bir mekanizma içeriyor gibi görünüyor: Mutasyona uğramış proteinler, baskın bir etkiye sahip toksinler gibi hareket ederek, kalbin kasılma yeteneğini azaltarak anormal mekanik davranışa neden olarak, hipertrofi, yani genellikle gecikmiş, kalp kasının strese normal tepkisinin bir sonucu olarak ortaya çıkıyor. .

Son çalışmalar, diğer iki patolojik süreçte rol oynayan ACTC1 mutasyonlarını keşfetti: İnfantil idiyopatik kısıtlayıcı kardiyomiyopati ve sol ventrikül miyokardının sıkışmaması .

sitoplazmik aktinlerde

ACTB oldukça karmaşıktır lokusu . Genom boyunca dağılmışbir dizi psödojen mevcutturve dizisi, β-aktinler olarak bilinen alternatif ekleme yoluyla 21'e kadar farklı transkripsiyona yol açabilen altı ekzon içerir. Bu karmaşıklıkla uyumlu olarak, ürünleri de birçok yerde bulunur ve çok çeşitli süreçlerin ( hücre iskeleti , NuA4 histon- açiltransferaz kompleksi, hücre çekirdeği ) birparçasını oluştururlar ve ayrıca çok sayıda mekanizma ile ilişkilidirler. patolojik süreçlerin ( karsinomlar , jüvenil distoni , enfeksiyon mekanizmaları, sinir sistemi malformasyonları ve diğerlerinin yanı sıra tümör istilası). Yeni bir aktin formu keşfedildi, kappa aktin, tümörlerle ilgili süreçlerde β-aktin yerine geçiyor gibi görünüyor.

Konfokal mikroskopi kullanılarak ve aktin'in kortikal ağını gösteren spesifik antikorların kullanılmasıyla alınan görüntü . Juvenil distonide hücre iskeletinin yapılarında bir kesinti olduğu gibi, bu durumda sitokalasin D tarafından üretilir .

Şimdiye kadar, gen dizilimindeki doğrudan bir değişikliğin neden olduğu üç patolojik süreç keşfedilmiştir:

ACTG1 sitoskeletal oluşumu için sorumlu olan sitosolik γ-aktin proteini için lokus kodlar mikrofilamanlardan . Altı ekzon içerir ve 22 farklı mRNA'ya yol açar , bunlar dört tam izoform üretir ve bunların ifade biçimleri muhtemelen içinde bulundukları doku tipine bağlıdır . Ayrıca iki farklı DNA promotörüne sahiptir . Bu lokustan ve β-aktin'den çevrilen dizilerin, tahmin edilenlere çok benzer olduğu, çoğaltma ve genetik dönüşümden muzdarip ortak bir ata dizisini düşündürdüğü kaydedilmiştir.

Patoloji açısından amiloidoz , retinitis pigmentosa , enfeksiyon mekanizmaları, böbrek hastalıkları ve çeşitli doğumsal işitme kayıpları gibi süreçlerle ilişkilendirilmiştir .

Dizideki altı otozomal dominant nokta mutasyonunun, çeşitli tiplerde işitme kaybına, özellikle DFNA 20/26 lokusuna bağlı sensörinöral işitme kaybına neden olduğu bulunmuştur. Görünüşe göre , iç kulağın Corti Organında bulunan siliyer hücrelerin stereocilia'sını etkiliyorlar . β-aktin, insan dokusunda en bol bulunan proteindir, ancak kirpikli hücrelerde çok bol değildir, bu da patolojinin yerini açıklar. Öte yandan, bu mutasyonların çoğunluğunun, diğer proteinlerle, özellikle de aktomiyosinle bağlantıda yer alan alanları etkilediği görülmektedir. Bazı deneyler, bu tip işitme kaybının patolojik mekanizmasının, mutasyonlardaki F-aktin'in normalden daha fazla kofiline duyarlı olmasıyla ilgili olduğunu ileri sürmüştür.

Ancak herhangi bir vaka kaydı olmamasına rağmen, γ-aktin'in iskelet kaslarında da eksprese edildiği bilinmektedir ve az miktarda bulunmasına rağmen model organizmalar yokluğunun miyopatilere yol açabileceğini göstermiştir.

Diğer patolojik mekanizmalar

Bazı enfeksiyöz ajanlar, yaşam döngülerinde aktin, özellikle sitoplazmik aktin kullanır . Bakterilerde iki temel form bulunur :

  • Listeria monocytogenes , bazı Rickettsia türleri, Shigella flexneri ve diğer hücre içi mikroplar,kendilerini bir aktin filament kapsülü ile kaplayarak fagositik vakuollerdenkaçarlar. L. monocytogenes ve S. flexneri , kendilerine hareketlilik sağlayan bir "kuyruklu yıldız kuyruğu" şeklinde bir kuyruk oluşturur. Her tür, "kuyruklu yıldız kuyruklarının" moleküler polimerizasyon mekanizmasında küçük farklılıklar gösterir. Farklı yer değiştirme hızları gözlemlenmiştir, örneğin Listeria ve Shigella'nın en hızlı olduğu bulunmuştur. Birçok deney bu mekanizmayı in vitro olarak göstermiştir . Bu, bakterilerin miyozin benzeri bir protein motoru kullanmadığını ve itici güçlerinin mikroorganizmanın hücre duvarı yakınında gerçekleşen polimerizasyon tarafından uygulanan basınçtan elde edildiğini gösterir. Bakteriler daha önce konakçıdan gelen ABP'ler ile çevrelenmiştir ve kaplama minimum olarak Arp2/3 kompleksi , Ena/VASP proteinleri , kofilin, bir tamponlama proteini ve vinculin kompleksigibi çekirdeklenme promotörlerini içerir. Bu hareketler sayesinde komşu hücrelere ulaşan ve onları da enfekte eden çıkıntılar oluştururlar, böylece bağışıklık sistemi enfeksiyonla ancak hücre bağışıklığı yoluyla savaşabilir. Hareket, eğrinin modifikasyonundan ve filamentlerin dallarının ayrılmasından kaynaklanabilir. Mycobacterium marinum ve Burkholderia pseudomallei gibi diğer türlerde Arp2/3 kompleksi merkezli bir mekanizma yoluyla hareketlerine yardımcı olmak için hücresel aktin lokalize polimerizasyon yeteneğine sahiptir. Ek olarak aşı virüsü Vaccinia , yayılması için aktin hücre iskeletinin unsurlarını da kullanır.
  • Pseudomonas aeruginosa , konakçı organizmanın savunmasından, özellikle beyaz kan hücreleri ve antibiyotiklerden kaçmakiçin koruyucu bir biyofilm oluşturabilir. Biyofilm,konakçı organizmadan alınan DNA ve aktin filamentlerikullanılarak oluşturulur.

Daha önce belirtilen örneğe ek olarak, aktin polimerizasyonu, bazı virüslerin, özellikle HIV'in içselleştirilmesinin ilk adımlarında, örneğin, kofilin kompleksinin inaktive edilmesiyle uyarılır.

Aktin'in kanser hücrelerinin istila sürecinde oynadığı rol henüz belirlenmemiştir.

Evrim

Tüm taksonomik gruplar arasında organizmaların ökaryotik hücre iskeleti, aktin ve tübüline benzer bileşenlere sahiptir. Örneğin, insanlarda ACTG2 geni tarafından kodlanan protein, nükleotid düzeyinde benzerlik %92'ye düşse bile, sıçanlarda ve farelerde bulunan homologlara tamamen eşdeğerdir . Bununla birlikte, farklı bakteri ve arke türleri arasında nükleotid dizileri arasındaki benzerliğin %40-50 arasında olduğu prokaryotlardaki ( FtsZ ve MreB ) eşdeğerleriyle büyük farklılıklar vardır . Bazı yazarlar, ökaryotik aktin modeline yol açan atasal proteinin, modern bakteri hücre iskeletlerinde bulunan proteinlere benzediğini öne sürüyorlar.

Yapısı MreB , olan üç boyutlu bir yapıya sahip olan, G-aktin benzer bir bakteriyel protein

Bazı yazarlar , DNA'nın stabilizasyonu ve düzenlenmesinde rol oynayan bir protein olan aktin, tübülin ve histonun davranışlarının, nükleotitleri bağlama yetenekleri ve Brown hareketinden yararlanma yetenekleri bakımından benzer olduğuna dikkat çekerler . Hepsinin ortak bir ataya sahip olduğu da ileri sürülmüştür. Bu nedenle, evrimsel süreçler diğerleri arasında, koruma, mevcut bugün çeşitleri içine ata proteinlerin çeşitlendirilmesi sonuçlandı gibi temel atalarının biyolojik süreçleri, mücadele başardık verimli moleküller olarak aktinler endositoz .

Bakterilerdeki eşdeğerler

Bakteriyel hücre iskeleti olup, bulunan gibi karmaşık olabilir ökaryotlar ; bununla birlikte, aktin monomerlerine ve polimerlere oldukça benzeyen proteinler içerir. Bakteriyel protein MreB , ince sarmal olmayan filamentlere ve bazen F- aktin'e benzer sarmal yapılara polimerize olur. Ayrıca, kristal yapısı G-aktin'inkine çok benzer (üç boyutlu yapısı açısından), MreB protofilamentleri ve F-aktin arasında bile benzerlikler vardır. Bakteriyel hücre iskeleti de içerir FtsZ benzer proteinler, tübülin .

Bakteriler bu nedenle , bu proteinlerin amino asit dizisi hayvan hücrelerinde bulunandan farklı olsa da, aktin için homolog elemanlara (örneğin, MreB, AlfA, ParM , FtsA ve MamK) sahip bir hücre iskeletine sahiptir . Bununla birlikte, bu tür proteinler, ökaryotik aktine yüksek derecede yapısal benzerliğe sahiptir. MreB ve ParM'nin agregasyonuyla oluşturulan yüksek dinamik mikrofilamentler, hücre canlılığı için esastır ve hücre morfogenezi, kromozom ayrımı ve hücre polaritesinde yer alırlar . ParM, bir plazmitte kodlanmış bir aktin homologudur ve plazmit DNA'sının düzenlenmesinde rol oynar. Farklı bakteriyel plazmitlerden gelen ParM'ler, sadık plazmit kalıtımını sürdürmek için iki veya dört iplikten oluşan şaşırtıcı derecede çeşitli sarmal yapılar oluşturabilir.

Uygulamalar

Aktin, bilimsel ve teknolojik laboratuvarlarda, miyozin (kas dokusunda veya dışında) gibi moleküler motorlar için bir yol olarak ve hücresel işlev için gerekli bir bileşen olarak kullanılır. Anormal varyantlarının birçoğu belirli patolojilerin görünümü ile ilgili olduğundan, bir teşhis aracı olarak da kullanılabilir.

  • Nanoteknoloji . Aktin-miyozin sistemleri, veziküllerin ve organellerin sitoplazma boyunca taşınmasına izin veren moleküler motorlar olarak işlev görür. Aktin , hücresiz sistemlerde gerçekleştirilenler de dahil olmak üzere bir dizi deneyde dinamik yeteneğinden yararlanıldığı için nanoteknolojiye uygulanabilir . Temel fikir, mikrofilamentleri, belirli bir yükü taşıyabilen moleküler motorları yönlendirmek için izler olarak kullanmaktır. Yani aktin, bir yükün az çok kontrollü ve yönlendirilmiş bir şekilde taşınabileceği bir devreyi tanımlamak için kullanılabilir. Genel uygulamalar açısından, nanoyapıların kontrollü bir şekilde birleştirilmesine izin verecek şekilde belirlenmiş konumlarda biriktirmek için moleküllerin yönlendirilmiş taşınması için kullanılabilir. Bu nitelikler, çip üzerinde laboratuvar , nano bileşen mekaniği ve mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren nanotransformatörler gibi laboratuvar süreçlerine uygulanabilir .
Sıçan akciğerinden ve epididiminden sitoplazmik aktin için Western blot
  • Aktin, jelin her şeridine eşit miktarda protein yüklendiğinden emin olmak için western blotlarda dahili bir kontrol olarak kullanılır . Sol tarafta gösterilen leke örneğinde, her kuyucuğa 75 ug toplam protein yüklendi. Leke, anti-β-aktin antikoru ile reaksiyona sokulmuştur (blotun diğer detayları için referansa bakınız)

Aktin'in dahili kontrol olarak kullanılması, ifadesinin pratik olarak sabit olduğu ve deneysel koşullardan bağımsız olduğu varsayımına dayanır. İlgilenilen genin ekspresyonunu aktin ekspresyonuyla karşılaştırarak, farklı deneylerin ekspresyonu sabit olduğunda, farklı deneyler arasında karşılaştırılabilecek nispi bir nicelik elde etmek mümkündür. Aktin'in gen ifadesinde her zaman istenen stabiliteye sahip olmadığını belirtmekte fayda var .

  • Sağlık. Aktin'in bazı alelleri hastalıklara neden olur; bu nedenle bunların tespiti için teknikler geliştirilmiştir. Ek olarak, aktin cerrahi patolojide dolaylı bir belirteç olarak kullanılabilir: dokudaki dağılım modelindeki varyasyonları neoplazi , vaskülit ve diğer durumlarda istila belirteci olarak kullanmak mümkündür . Ayrıca, aktinin kas kasılma aparatı ile yakın ilişkisi nedeniyle, bu dokular atrofi olduğunda iskelet kasındaki seviyeleri azalır, bu nedenle bu fizyolojik sürecin bir belirteci olarak kullanılabilir.
  • Gıda teknolojisi . Sosis gibi belirli işlenmiş gıdaların kalitesini , oluşturan ette bulunan aktin miktarını ölçerek belirlemek mümkündür. Geleneksel olarak, bir yöntem saptanmasına dayalı olduğu kullanılmıştır 3-metilhistidin içinde hidrolize bu bileşik aktin ve F-miyozin ağır zincir (her ikisi de kas ana bileşenleridir) mevcut olduğu gibi, bu ürünlerin örnekleri. Ette bu bileşiğin oluşumu, her iki proteinde bulunan histidin kalıntılarının metilasyonundan kaynaklanır .

genler

Aktin proteinlerini kodlayan insan genleri şunları içerir:

  • ACTA1  — alfa aktin 1, iskelet kası
  • ACTA2  — alfa aktin 2, düz kas, aort
  • ACTB  - beta aktin
  • ACTC1  - aktin, alfa, kalp kası 1
  • ACTG1  - gama aktin 1
  • ACTG2  — gama aktin 2, düz kas, enterik

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar