Katanin - Katanin
Katanin , mikrotübül parçalayıcı bir AAA proteinidir . Adını katana denilen Japon kılıcından almıştır . Katanin, ilk olarak deniz kestanelerinde keşfedilen heterodimerik bir proteindir . Mikrotübülleri ayırma işlevi gören KATNA1 tarafından kodlanan 60 kDa'lık bir ATPase alt birimi içerir . Bu alt birim, aktivasyon için ATP ve mikrotübüllerin varlığını gerektirir . KATNB1 tarafından kodlanan ikinci 80 kDA alt birimi, ATPaz'ın aktivitesini düzenler ve proteini sentrozomlara lokalize eder . Elektron mikroskobu , kataninin mikrotübül duvarlarında aktif oligomerize durumunda 14-16 nm halkalar oluşturduğunu gösterir (mikrotübül çevresinde olmasa da ).
Mikrotübül uzunluğunun mekanizması ve düzenlenmesi
Elektron mikroskobu kullanılarak yapılan yapısal analiz , β- tübülinin GTP hidrolizi üzerine mikrotübül protofilamentlerinin düzden kavisli bir şekle dönüştüğünü ortaya çıkarmıştır . Bununla birlikte, bu protofilamentler polimerize bir mikrotübülün parçası olduğunda, çevreleyen kafes kilit alt birimleri tarafından oluşturulan stabilize edici etkileşimler, GTP hidrolizinden sonra bile düz bir konformasyona dönüşür . Bu kararlı etkileşimleri bozmak için, bir kez ATP'ye bağlanan katanin, mikrotübül duvarında bir halka yapısına oligomerize olur - bazı durumlarda oligomerizasyon , kataninin mikrotübüller için afinitesini arttırır ve ATPaz aktivitesini uyarır. Bu yapı oluşturulduktan sonra, katanin ATP'yi hidrolize eder ve muhtemelen mikrotübül kafesi içindeki etkileşimlerini dengesizleştiren tübülin alt birimlerine mekanik baskı uygulayan bir konformasyonel değişikliğe uğrar. Öngörülen konformasyonel değişiklik muhtemelen katanin'in tübüline ve ayrıca diğer katanin proteinlerine olan afinitesini azaltır, bu da katanin halka yapısının çözülmesine ve bireysel inaktive proteinlerin geri dönüşümüne yol açar.
Mikrotübüllerin katanin tarafından ayrılması, ADP ile ATP, koruyucu mikrotübül ilişkili proteinler (MAP'ler) ve p80 alt birimi (p60, p80 varlığında mikrotübülleri çok daha iyi ayırır) ile değiş tokuş edebilen nükleotid değişim faktörleri tarafından düzenlenir . Bu mekanizmaların, hücrenin neresinde aktive olduklarına veya bozulduklarına bağlı olarak farklı sonuçları vardır. Örneğin, sentrozomda katanin aracılı ayrılmaya izin vermek, serbest hareket için mikrotübülleri serbest bırakır. Bir deneyde, bir hücreye anti-katanin antikorları enjekte edildi, bu da sentrozom çevresinde büyük bir mikrotübül birikmesine ve mikrotübül büyümesinin inhibisyonuna neden oldu. Bu nedenle, katanin aracılı ayırma, mikrotübül demontajını ve verimli hareketi teşvik ederek sitoplazmada organizasyonun korunmasına hizmet edebilir . Hücre bölünmesi sırasında, iğ kutbunda kopma, serbest mikrotübül uçları üretir ve tübülin kutuplara doğru akışına ve mikrotübülün geri çekilmesine izin verir. Sitoplazmada mikrotübüllerin kesilmesi , gelişim sırasında önemli olan koşu bandı ve hareketliliği kolaylaştırır .
Hücre bölünmesindeki rolü
Katanin aracılı mikrotübül ayrılması, mitoz ve mayozda önemli bir adımdır . Katanin'in Xenopus laevis'te M-fazı sırasında mikrotübüllerin kesilmesinden sorumlu olduğu gösterilmiştir . Mikrotübüllerin interfaz yapılarından ayrılması , hücreyi ve mitotik iğcikleri hücre bölünmesine hazırlamak için gereklidir . Bu düzenleme dolaylıdır: Mikrotübülleri interfaz sırasında ayrılmaktan koruyan MAP proteinleri ayrışır ve katanin'in harekete geçmesine izin verir. Ek olarak, anafaz sırasında kardeş kromatitleri ayırmak için demontaj gerektiğinde mitotik iğlerdeki mikrotübüllerin kesilmesinden katanin sorumludur . C. elegans'ta mayoz bölünme sırasında katanin aktivitesi ile ilgili olarak benzer sonuçlar elde edilmiştir . Mei-1 ve Mei-2'nin kataninin p60 ve p80 alt birimlerine benzer proteinleri kodladığı bildirildi. Antikorlar kullanılarak, bu iki proteinin mayotik iğdeki mikrotübüllerin uçlarında lokalize olduğu ve HeLa hücrelerinde ifade edildiğinde bu proteinlerin mikrotübül ayrılmasını başlattığı bulundu. Bu bulgular, kataninin hem mitozda hem de mayozda kromatitleri iğ kutuplarına doğru ayırmada benzer bir amaca hizmet ettiğini göstermektedir.
Gelişimdeki Rolü
Katanin, birçok organizmanın gelişiminde önemlidir. Katanin'in hem eliminasyonu hem de aşırı ekspresyonu aksonal büyümeye zararlıdır ve bu nedenle uygun nöral gelişim için katanin dikkatle düzenlenmelidir. Özellikle, belirli hücresel boşluklarda mikrotübüllerin ayrılması, fragmanların çeşitli büyüme yollarını test etmesine izin verir. Katanin bu görevde gerekli olduğunu kanıtladı. Floresan etiketli tübülinin hızlandırılmış dijital görüntülemesini kullanan bir deney , nöral gelişim sırasında akson büyüme konilerinin durakladığını ve mikrotübüllerin dallanma bölgelerinde parçalandığını gösterdi.
Floresan etiketli tübülin kullanılarak yapılan benzer bir deneyde , gelişimsel göç sırasında semender akciğer hücresi lamellipodiasında lokal mikrotübül parçalanması gözlemlendi , burada parçalar keşife yardımcı olmak için ilerleyen hücre zarına dik olarak ilerledi. Her iki parçalanma olayının yerel doğası muhtemelen katanin tarafından düzenlendiğini gösterir, çünkü belirli hücresel bölgelerde yoğunlaşabilir. Bu, Arabidopsis thaliana'da bir katanin ortologunu etkileyen Fra2 mutasyonunun, bu bitkilerde gelişen hücre duvarı boyunca selüloz mikrofibrillerinin anormal yerleşimine yol açtığını gösteren bir çalışma ile desteklenmektedir . Bu mutasyon , hücre uzamasında azalma olan bir fenotip üretti ve bu, katanin'in çok çeşitli organizmalarda gelişimdeki önemini ortaya koydu.
Nöronlarda işlev
Katanin'in sinir sisteminde bol olduğu bilinmektedir ve mütevazı seviyeleri bile önemli mikrotübül tükenmesine neden olabilir. Ancak, yeterli sayıda mikrotübülün hızlı bir şekilde taşınabilmesi için mikrotübüllerin nöronun diğer bölümleri boyunca kesilmesi gerekir.
Sinir sisteminde, iki alt birimin oranı, vücudun diğer organlarından önemli ölçüde farklıdır. Bu nedenle, mikrotübül ayrılmasını kontrol etmek için oranı düzenleyebilmek önemlidir. Monomer p80, nöronun tüm bölümlerinde bulunur; bu, işlevinin yalnızca katanin'i hedeflemek olamayacağı anlamına gelir. p80 katanin, farklı işlevlere sahip birden fazla alana sahiptir. Bir alan sentrozomu hedefler, bir diğeri p60 katanin tarafından ayrılan mikrotübülü güçlendirir ve sonuncusu mikrotübül ayrılmasını bastırır. Nöronlardaki katanin bolluğu, akson boyunca hareket edebildiklerini gösterir. Aksonal dal noktalarında ve nöronların büyüme konilerinde mikrotübüllerde kırılma vardır. Katanin'in nörondaki dağılımı, mikrotübül uzunluğunu ve sayısını düzenlemenin yanı sıra mikrotübülleri sentrozomdan serbest bırakma olgusunu anlamaya yardımcı olur.
Katanin'in diğer proteinlerin fosforilasyonu ile düzenlendiğine inanılmaktadır . Mikrotübüller hafif büküldükten sonra fibroblastlara dönüşür . Ancak, katanin mevcut olduğunda, kataninin kafese erişimini arttırdığı için bükülme kırılmaya neden olabilir.
Bitkilerde işlev
Katanin'in daha yüksek bitkilerde de benzer işlevlere sahip olduğu bulunmuştur. Bir bitki hücresinin formu ve yapısı , oryantasyonu, oluşturan liflerin birikmesine rehberlik etmeye hizmet eden mikrotübüllerden etkilenen, oldukça organize selüloz içeren sert hücre duvarı tarafından belirlenir . Hücre duvarı içindeki selüloz mikrofibrillerinin oryantasyonu, hücre genişlemesinin ana eksenine dik olarak hizalanan mikrotübüller tarafından belirlenir. Bitki hücreleri geleneksel sentrozomlardan yoksun olduğundan, katanin , iğ mikrotübüllerinin oluştuğu faz öncesi ve faz sırasında nükleer zarfta birikir .
Hücre uzaması sırasında, mikrotübüller artan hücre uzunluğuna ayak uydurmak için yönelimlerini sürekli olarak ayarlamalıdır. Mikrotübül organizasyonundaki bu sürekli değişimin, mikrotübüllerin hızlı bir şekilde sökülmesi, birleştirilmesi ve yer değiştirmesi ile gerçekleştirilmesi önerildi. Son zamanlarda, bitki katanin homologundaki mutasyonların, mikrotübül organizasyonundaki geçişleri değiştirdiği ve bunun da selüloz ve hemiselülozun uygun şekilde birikmesinde bozulmalara neden olduğu gösterilmiştir . Bunun bitki hücresinin mikrotübül uzunluklarını düzenleme yeteneğinin olmamasından kaynaklandığı tahmin edilmektedir.
p80 katanin düzenleyici alt birimi için homolog yoktur. Bu nedenle, bitkilerdeki işlevlerini açıklamak için His-tagged At-p60 yapılmıştır. His-At-p60 , ATP varlığında in vitro mikrotübülleri kesebilir . Ko-sedimantasyon deneylerinde doğrudan mikrotübüllerle etkileşime girer. ATPaz aktivitesi hiperbolik olmayan bir şekilde uyarıldı. ATP hidrolizi, düşük bir tübülin/At-p60 oranında uyarılır ve daha yüksek oranlarda engellenir. Düşük oranlar, katanin alt birim etkileşimlerini desteklerken, yüksek oranlar bozulma gösterir. At-p60, hayvanlarda olduğu gibi oligomerize olabilir. At-p60, mikrotübüllerle doğrudan etkileşime girerken, hayvan p60, N-terminalleri aracılığıyla bağlanır . p60'ın N-terminal kısmı, bitki ve hayvan krallıkları arasında iyi korunmamıştır.