Mikrotübül - Microtubule

Tubulin ve Mikrotübül Metrikleri İnfografik
Mikrotübül ve tubulin metrikleri

Mikrotübüller olan polimerler arasında tübülin meydana getiren toplam hücre iskeleti ve yapı ve şekil sağlayan ökaryotik hücreler . Mikrotübüller 50 mikrometreye kadar büyüyebilir  ve oldukça dinamiktir. Bir mikrotübülün dış çapı 23 ile 27  nm arasında, iç çapı ise 11 ile 15 nm arasındadır. Bir polimerizasyon ile oluşturulur dimer iki küresel proteinler , alfa ve beta tübülin içine protofilaments sonra içi boş bir boru, mikrotübül oluşturmak üzere yana doğru ilişkilendirebilir. Bir mikrotübülün en yaygın şekli, tübüler düzende 13 protofilamentten oluşur.

Mikrotübüller, ökaryotik hücrelerdeki hücre iskeleti filament sistemlerinden biridir. Mikrotübül hücre iskeleti, mikrotübülün yüzeyinde hareket eden motor proteinler tarafından gerçekleştirilen hücrelerin içindeki malzemenin taşınmasında rol oynar.

Mikrotübüller bir dizi hücresel süreçte çok önemlidir . Hücrenin yapısının korunmasında yer alırlar ve mikrofilamentler ve ara filamentlerle birlikte hücre iskeletini oluştururlar . Ayrıca kirpiklerin ve kamçıların iç yapısını oluştururlar . Hücre içi taşıma için platformlar sağlarlar ve salgı keseciklerinin , organellerin ve hücre içi makromoleküler düzeneklerin hareketi dahil olmak üzere çeşitli hücresel süreçlerde yer alırlar ( dynein ve kinesin için girişlere bakın ). Ayrıca hücre bölünmesinde ( mitoz ve mayoz ile ) yer alırlar ve ökaryotik kromozomları birbirinden ayırmak için kullanılan mitotik iğciklerin ana bileşenleridir .

Mikrotübüller, birçok hayvan hücresinin merkezinde bulunan sentrozom veya silia ve flagellada bulunan bazal gövdeler veya çoğu mantarda bulunan iğ kutup gövdeleri gibi mikrotübül düzenleme merkezleri (MTOC'ler) tarafından çekirdeklenir ve düzenlenir .

Kinesin ve dynein motor proteinleri , katanin gibi mikrotübül parçalayıcı proteinler ve mikrotübül dinamiklerini düzenlemek için önemli olan diğer proteinler dahil olmak üzere mikrotübüllere bağlanan birçok protein vardır . Son zamanlarda, bir gram pozitif bakteri Bacillus thuringiensis'te , plazmid ayrışmasında yer alan nanotübül adı verilen mikrotübül benzeri bir yapı oluşturan aktin benzeri bir protein bulunmuştur . Diğer bakteri mikrotübülleri, beş protofilamentten oluşan bir halkaya sahiptir.

Tarih

Hücre hareketi gibi tübülin ve mikrotübül aracılı süreçler, Leeuwenhoek (1677) gibi erken mikroskopistler tarafından görüldü . Bununla birlikte, flagella ve diğer yapıların lifli doğası, iki yüzyıl sonra, geliştirilmiş ışık mikroskopları ile keşfedildi ve 20. yüzyılda elektron mikroskobu ve biyokimyasal çalışmalar ile doğrulandı .

Dynein ve kinesin gibi motor proteinleri için mikrotübül in vitro tahlilleri, bir mikrotübülün floresan olarak etiketlenmesi ve mikrotübül veya motor proteinlerinin bir mikroskop lamına sabitlenmesi ve ardından mikrotübül motor proteinlerinin hareketini kaydetmek için slaydı video ile güçlendirilmiş mikroskopi ile görselleştirmesiyle araştırılır. Bu, motor proteinlerinin mikrotübül veya mikrotübül boyunca motor proteinleri boyunca hareket etmesine izin verir. Sonuç olarak, bazı mikrotübül süreçleri kymograph ile belirlenebilir .

Yapı

α(sarı)/β(kırmızı)-tubulin heterodimer, GTP ve GDP yapısının karikatür gösterimi.

Ökaryotlarda mikrotübüller, polimerize α- ve β- tübülin dimerlerinden oluşan uzun, içi boş silindirlerdir . İçi boş mikrotübül silindirlerin iç boşluğuna lümen denir. α ve β-tubulin alt birimleri amino asit seviyesinde aynıdır ve her birinin moleküler ağırlığı yaklaşık 50 kDa'dır.

Bu α/β-tubulin dimerleri , daha sonra daha fazla α/β-tubulin dimerlerinin eklenmesiyle genişletilebilen tek bir mikrotübül oluşturmak üzere yanal olarak birleşen lineer protofilamentler halinde uçtan uca polimerize olur . Tipik olarak, mikrotübüller on üç protofilamentin paralel birleşmesi ile oluşturulur, ancak daha az veya daha fazla protofilamentten oluşan mikrotübüller in vitro olduğu kadar çeşitli türlerde de gözlemlenmiştir .

Mikrotübüller, biyolojik işlevleri için kritik olan farklı bir polariteye sahiptir. Tubulin, bir tubulin dimerinin β-alt birimlerinin sonraki dimerin α-alt birimleriyle temas etmesiyle uçtan uca polimerize olur. Bu nedenle, bir protofilamentte, bir uçta α-alt birimleri açığa çıkarken diğer uçta β-alt birimleri açığa çıkar. Bu uçlar sırasıyla (-) ve (+) uçlar olarak adlandırılır. Protofilamentler aynı polaritede birbirine paralel demetler halindedir, bu nedenle, bir mikrotübülde bir uç vardır, (+) uç, sadece β-alt birimleri açığa çıkarken, diğer uç, (-) uç, sadece α'ya sahiptir. -alt birimler açığa çıktı. Mikrotübül uzaması hem (+) hem de (-) uçlarda meydana gelebilirken, (+) uçta önemli ölçüde daha hızlıdır.

Protofilamentlerin yanal birleşimi, her biri farklı bir protofilamentten 13 tübülin dimeri içeren sarmalın bir dönüşü ile sahte sarmal bir yapı oluşturur. En yaygın "13-3" mimarisinde, 13. tübülin dimeri, dönüşün sarmalından dolayı 3 tübülin monomerinin dikey kaymasıyla bir sonraki tübülin dimeri ile etkileşime girer. 11-3, 12-3, 14-3, 15-4 veya 16-4 gibi çok daha düşük bir oluşumda tespit edilen başka alternatif mimariler de vardır. Mikrotübüller ayrıca foraminifer gibi protist organizmalarda gözlenen sarmal filamentler gibi başka biçimlere de dönüşebilir . A tipi ve B tipi kafesler olarak adlandırılan mikrotübül içindeki lateral protofilamentlerin alt birimleri arasında meydana gelebilecek iki farklı etkileşim tipi vardır. A-tipi kafeste, protofilamentlerin yanal birleşimleri, bitişik a ve β-tubulin alt birimleri arasında meydana gelir (yani, bir protofilamentten bir α-tubulin alt birimi, bitişik bir protofilamentten bir β-tubulin alt birimi ile etkileşime girer). B-tipi kafeste, bir protofilamentten gelen α ve β-tubulin alt birimleri, sırasıyla bitişik bir protofilamentten gelen α ve β-tubulin alt birimleri ile etkileşime girer. Deneysel çalışmalar, B tipi kafesin mikrotübüller içindeki birincil düzenleme olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, çoğu mikrotübülde, tübülin alt birimlerinin α-β ile etkileşime girdiği bir dikiş vardır.

Bazı Prosthecobacter türleri de mikrotübüller içerir. Bu bakteriyel mikrotübüllerin yapısı, bakteriyel tübülin A (BtubA) ve bakteriyel tübülin B'nin (BtubB) heterodimerlerinden bir araya getirilmiş içi boş bir protofilament tüpünden oluşan ökaryotik mikrotübüllerinkine benzer. Hem BtubA hem de BtubB, hem α- hem de β- tubulin özelliklerini paylaşır . Ökaryotik mikrotübüllerin aksine, bakteriyel mikrotübüllerin katlanması için şaperonlara gerek yoktur. Ökaryotik mikrotübüllerin 13 protofilamentinin aksine, bakteriyel mikrotübüller sadece beş tanesini içerir.

hücre içi organizasyon

Mikrotübüller , hücrenin sitoplazması içindeki yapısal bir ağ olan hücre iskeletinin bir parçasıdır . Mikrotübül hücre iskeletinin rolleri arasında mekanik destek, sitoplazmanın organizasyonu, taşıma, hareketlilik ve kromozom ayrımı bulunur. Gelişmekte olan nöronlarda mikrotübüller, nörotübüller olarak bilinir ve hücre iskeletinin başka bir bileşeni olan aktin dinamiklerini modüle edebilirler . Bir mikrotübül, kuvvet oluşturmak için büyüyüp küçülebilir ve organellerin ve diğer hücresel bileşenlerin bir mikrotübül boyunca taşınmasına izin veren motor proteinler vardır. Bu roller kombinasyonu, mikrotübülleri hücre içi bileşenlerin düzenlenmesi ve taşınması için önemli kılar.

Hücredeki mikrotübüllerin organizasyonu hücre tipine özgüdür. Olarak epitel , hücre-hücre temas alanının yakınında sabitlenen ve apikal-bazal ekseni boyunca düzenlenmiştir polimer mikrotübül eksi uçları. Çekirdeklenmeden sonra, eksi uçlar serbest bırakılır ve daha sonra ninein ve PLEKHA7 gibi faktörler tarafından çevrede yeniden demirlenir . Bu şekilde, hücrenin apikal-bazal ekseni boyunca proteinlerin, veziküllerin ve organellerin taşınmasını kolaylaştırabilirler. Olarak fibroblastlar (ilk şekilde gösterildiği gibi) ve diğer mezenkimal hücre tipleri, mikrotübül hücre kenarına doğru kendi artı uçları dışarı doğru olan sentrozom ve radiatada tutturulmuş. Bu hücrelerde, mikrotübüller hücre göçünde önemli roller oynar. Ayrıca, mikrotübüllerin polaritesi, endoplazmik retikulum ve Golgi aygıtı dahil olmak üzere hücrenin birçok bileşenini organize eden motor proteinler tarafından etkilenir .

Ökaryotik hücre iskeletinin bileşenleri . Aktin filamentleri kırmızı, mikrotübüller yeşil ve çekirdekler mavi olarak gösterilmiştir. Sistoskeleton, hücreye bir iç çerçeve sağlar ve hareket etmesini ve şekil değiştirmesini sağlar.

mikrotübül polimerizasyonu

çekirdeklenme

Çekirdeklenme, tubulin dimerinden mikrotübül oluşumunu başlatan olaydır. Mikrotübüller tipik olarak çekirdeklenir ve mikrotübül düzenleme merkezleri (MTOC'ler) adı verilen organeller tarafından düzenlenir . MTOC içinde, mikrotübüllerin kendilerinin α- ve β-alt birimlerinden farklı olan başka bir tubulin türü olan γ-tubulin bulunur. y-tubulin, "y-tubulin halka kompleksi" (γ-TuRC) olarak bilinen bir kilit rondelası benzeri yapı oluşturmak için diğer birçok ilişkili protein ile birleşir. Bu kompleks, a/β-tubulin dimerlerinin polimerizasyonu başlatması için bir şablon görevi görür; mikrotübül büyümesi (+) yönünde MTOC'den uzakta devam ederken (-) ucunun bir başlığı görevi görür.

Sentrozom çoğu hücre türlerinin birincil MTOC olup. Bununla birlikte, mikrotübüller diğer bölgelerden de çekirdeklenebilir. Örneğin, kirpikler ve flagella , bazal cisimler olarak adlandırılan tabanlarında MTOC'lere sahiptir . Ek olarak, Vanderbilt'teki Kaverina grubunun ve diğerlerinin çalışmaları, Golgi aygıtının mikrotübüllerin çekirdeklenmesi için önemli bir platform olarak hizmet edebileceğini öne sürüyor . Centrozomdan çekirdeklenme doğal olarak simetrik olduğundan, Golgi ile ilişkili mikrotübül çekirdeklenmesi, hücrenin mikrotübül ağında asimetri oluşturmasına izin verebilir. Son çalışmalarda, UCSF'deki Vale grubu, protein kompleksi augmin'i, sentrozom bağımlı, iğ tabanlı mikrotübül üretimi için kritik bir faktör olarak tanımladı. Bunun γ-TuRC ile etkileşime girdiği ve mitotik iğ orijini etrafındaki mikrotübül yoğunluğunu arttırdığı gösterilmiştir.

Bitki hücreleri gibi bazı hücre türleri, iyi tanımlanmış MTOC'ler içermez. Bu hücrelerde, mikrotübüller sitoplazmanın farklı bölgelerinden çekirdeklenir. Gibi diğer hücre tipleri, tripanosomatid parazitler, bir MTOC ancak kalıcı bir flagellum tabanında bulunur. Burada, yapısal roller ve mitotik iş milinin oluşumu için mikrotübüllerin çekirdeklenmesi, kanonik bir merkezcil benzeri MTOC'den değildir.

polimerizasyon

İlk çekirdeklenme olayını takiben, büyüyen polimere tübülin monomerleri eklenmelidir. Monomerlerin eklenmesi veya çıkarılması işlemi, mikrotübülün sonunda artık herhangi bir net montaj veya demontajın olmadığı dimerlerin kararlı durum konsantrasyonu olan kritik konsantrasyonla ilişkili olarak çözeltideki αβ-tubulin dimerlerinin konsantrasyonuna bağlıdır. . Dimer konsantrasyonu kritik konsantrasyondan daha büyükse, mikrotübül polimerleşecek ve büyüyecektir. Konsantrasyon kritik konsantrasyondan daha az ise, mikrotübülün uzunluğu azalacaktır.

Mikrotübül dinamiği

Dinamik kararsızlık

Mikrotübül dinamik kararsızlığının animasyonu. GTP'ye (kırmızı) bağlı tübülin dimerleri, bir mikrotübülün büyüyen ucuna bağlanır ve ardından GTP'yi GDP'ye (mavi) hidrolize eder.

Dinamik kararsızlık, bir mikrotübülün uçlarında montaj ve demontajın bir arada bulunmasını ifade eder. Mikrotübül bu bölgede büyüme ve küçülme evreleri arasında dinamik olarak geçiş yapabilir. Tubulin dimerleri, biri montajdan sonra hidrolize edilebilen iki GTP molekülünü bağlayabilir. Polimerizasyon sırasında tübülin dimerleri GTP'ye bağlı durumdadır. α-tubuline bağlı GTP stabildir ve bu bağlı durumda yapısal bir işlev görür. Bununla birlikte, GTP p-tübülin bağlı olabilir hidrolize etmek GSYİH kısa bir süre sonra montajı. GDP-tubulinin depolimerizasyona daha yatkın olması nedeniyle GDP-tubulinin montaj özellikleri GTP-tubulininkinden farklıdır. Bir mikrotübülün ucundaki GDP'ye bağlı bir tübülin alt birimi düşme eğiliminde olacaktır, ancak bir mikrotübülün ortasındaki GDP'ye bağlı bir tübülin polimerden kendiliğinden dışarı çıkamaz. Tübülin, GTP'ye bağlı durumda mikrotübülün ucuna eklendiğinden, mikrotübülün ucunda bir GTP'ye bağlı tübülin kapağının mevcut olması ve onu demontajdan koruması önerilmektedir. Hidroliz mikrotübülün ucuna ulaştığında hızlı bir depolimerizasyon ve büzülme başlar. Büyümeden küçülmeye geçişe felaket denir. GTP'ye bağlı tübülin, mikrotübülün ucuna tekrar eklemeye başlayabilir, bu da yeni bir başlık sağlar ve mikrotübülün büzülmesini önler. Buna "kurtarma" denir.

"Ara ve yakala" modeli

1986'da Marc Kirschner ve Tim Mitchison , mikrotübüllerin, hücrenin üç boyutlu alanını araştırmak için artı uçlarında dinamik büyüme ve büzülme özelliklerini kullandıklarını öne sürdüler. Kinetokorlarla veya polarite bölgeleriyle karşılaşan artı uçlar yakalanır ve artık büyüme veya büzülme göstermez. Yarılanma ömrü 5-10 dakika olan normal dinamik mikrotübüllerin aksine, yakalanan mikrotübüller saatlerce sürebilir. Bu fikir genellikle "ara ve yakala" modeli olarak bilinir. Gerçekten de, o zamandan beri yapılan çalışmalar bu fikri büyük ölçüde doğruladı. Kinetokorda, çeşitli komplekslerin mikrotübül (+) uçlarını yakaladığı gösterilmiştir. Ayrıca, fazlar arası mikrotübüller için bir (+)-uç kapatma aktivitesi de tarif edilmiştir. Bu, daha sonra aktivitesinin aracılık ettiği bir formins , adenomatus poliposis koli protein ve EB1 bir protein olduğu, birlikte parçalar büyüyen artı mikrotübüllerin biter.

Mikrotübül dinamiğinin düzenlenmesi

Çeviri sonrası değişiklikler

Floresan olarak etiketlenmiş aktin (kırmızı) ve mikrotübüller (yeşil) içeren bir fibroblast hücresinin görüntüsü.

Çoğu mikrotübülün yarılanma ömrü 5-10 dakika olmasına rağmen, bazı mikrotübüller saatlerce stabil kalabilir. Bu stabilize mikrotübüller , mikrotübüle bağlı enzimlerin etkisiyle tübülin alt birimlerinde translasyon sonrası modifikasyonları biriktirir . Bununla birlikte, mikrotübül depolimerize olduğunda, bu modifikasyonların çoğu, çözünür enzimler tarafından hızla tersine çevrilir. Modifikasyon reaksiyonlarının çoğu yavaş ve ters reaksiyonları hızlı olduğundan, modifiye tübülin sadece uzun ömürlü stabil mikrotübüllerde tespit edilir. Bu modifikasyonların çoğu, alfa-tübülinin C-terminal bölgesinde meydana gelir. Negatif yüklü glutamat açısından zengin olan bu bölge, mikrotübülden dışarı çıkan ve motorlarla temas oluşturan nispeten yapılandırılmamış kuyruklar oluşturur. Bu nedenle, tübülin modifikasyonlarının, motorların mikrotübül ile etkileşimini düzenlediğine inanılmaktadır. Bu kararlı modifiye mikrotübüller tipik olarak interfaz hücrelerde hücre polaritesi bölgesine doğru yönlendirildiğinden, modifiye edilmiş mikrotübüllerin bu alt kümesi veziküllerin bu polarize bölgelere iletilmesine yardımcı olan özel bir yol sağlar. Bu değişiklikler şunları içerir:

  • Detirozinasyon : C-terminal tirozinin alfa- tübülinden çıkarılması . Bu reaksiyon , yeni C-terminalinde bir glutamat ortaya çıkarır . Sonuç olarak, bu modifikasyonu biriktiren mikrotübüllere genellikle Glu-mikrotübüller denir. Tübülin karboksipeptidaz henüz tanımlanmamasına rağmen, tübülin -tirozin ligaz (TTL) bilinmektedir.
  • Delta2: alfa-tübülinin C-terminalinden son iki kalıntının çıkarılması. Detirozinasyondan farklı olarak, bu reaksiyonun geri döndürülemez olduğu düşünülür ve yalnızca nöronlarda belgelenmiştir.
  • Asetilasyon : alfa-tübülinin lizin 40'ına bir asetil grubunun eklenmesi . Bu modifikasyon, yalnızca mikrotübülün içinden erişilebilen bir lizinde meydana gelir ve enzimlerin lizin tortusuna nasıl eriştiği belirsizliğini korur. Tubulin asetiltransferazın doğası tartışmalıdır, ancak memelilerde ana asetiltransferazın ATAT1 olduğu bulunmuştur . bununla birlikte, ters reaksiyonun HDAC6 tarafından katalize edildiği bilinmektedir .
  • Poliglutamilasyon : alfa-tübülinin sonuna yakın bulunan beş glutamattan herhangi birinin gama-karboksil grubuna bir glutamat polimerinin (tipik olarak 4-6 artık uzunluğunda) eklenmesi. TTL ile ilgili enzimler ilk dallanan glutamatı (TTL4,5 ve 7) eklerken, aynı aileye ait diğer enzimler poliglutamat zincirini uzatır (TTL6,11 ve 13).
  • Poliglisilasyon : beta-tubulinin sonuna yakın bulunan beş glutamattan herhangi birinin gama-karboksil grubuna bir glisin polimerinin (2-10 artık uzunluğunda) eklenmesi. TTL3 ve 8, ilk dallanan glisini eklerken, TTL10 poliglisin zincirini uzatır.

Tubulinin ayrıca fosforile , ubikitinasyon , toplanmış ve palmitoile olduğu da bilinmektedir .

Tubulin bağlayıcı ilaçlar ve kimyasal etkiler

Çok çeşitli ilaçlar tübüline bağlanabilir ve montaj özelliklerini değiştirebilir. Bu ilaçlar, tübülinden çok daha düşük hücre içi konsantrasyonlarda bir etkiye sahip olabilir. Mikrotübül dinamikleri ile olan bu müdahale, bir hücrenin hücre döngüsünü durdurma etkisine sahip olabilir ve programlanmış hücre ölümüne veya apoptoza yol açabilir . Bununla birlikte, mikrotübül dinamiklerinin girişiminin, mitoz geçiren hücreleri bloke etmek için yetersiz olduğunu gösteren veriler vardır. Bu çalışmalar, dinamiklerin baskılanmasının, mitozun bloke edilmesi için gerekenden daha düşük konsantrasyonlarda meydana geldiğini göstermiştir. Mikrotübül dinamiklerinin tubulin mutasyonları veya ilaç tedavisi ile baskılanmasının hücre göçünü engellediği gösterilmiştir. Hem mikrotübül stabilizatörleri hem de destabilizörler mikrotübül dinamiklerini baskılayabilir.

Mikrotübül dinamiklerini değiştirebilen ilaçlar şunları içerir:

  • Kanserle savaşan taksan sınıfı ilaçlar ( paklitaksel (taksol) ve dosetaksel ), mikrotübülde GDP'ye bağlı tübülini stabilize ederek dinamik kararsızlığı bloke eder. Böylece, GTP'nin hidrolizi mikrotübülün ucuna ulaştığında bile depolimerizasyon olmaz ve mikrotübül geri çekilmez.

Taksanlar (tek başına veya platin türevleri (karboplatin) veya gemsitabin ile kombinasyon halinde) meme ve jinekolojik malignitelere, skuamöz hücreli karsinomlara (baş-boyun kanserleri, bazı akciğer kanserleri) vb. karşı kullanılır.

  • Epotilonlar , örneğin Ixabepilone , taksanlara benzer bir şekilde çalışır.
  • Vinorelbin, Nocodazol , vincristine ve colchicine ters etkiye sahiptir ve tübülinin mikrotübüllere polimerizasyonunu bloke eder.
  • Eribulin , mikrotübüllerin (+) büyüyen ucuna bağlanır. Eribulin, antikanser etkilerini, uzun süreli ve geri dönüşü olmayan mitotik blokajı takiben kanser hücrelerinin apoptozunu tetikleyerek gösterir.

β3-tubulinin ekspresyonunun, ilaca bağlı mikrotübül dinamiklerinin baskılanmasına karşı hücresel tepkileri değiştirdiği bildirilmiştir. Genel olarak dinamikler normal olarak hücre göçünü de engelleyen mikrotübül ilaçlarının düşük, subtoksik konsantrasyonları tarafından bastırılır. Bununla birlikte, β3-tubulinin mikrotübüllere dahil edilmesi, dinamikleri bastırmak ve hücre göçünü engellemek için gereken ilaç konsantrasyonunu arttırır. Bu nedenle, β3-tubulini eksprese eden tümörler, sadece mikrotübül hedefli ilaçların sitotoksik etkilerine değil, aynı zamanda tümör metastazını baskılama yeteneklerine de dirençlidir. Ayrıca, β3-tubulinin ekspresyonu, bu ilaçların normalde eylemlerinin bir başka önemli yönü olan anjiyogenezi inhibe etme kabiliyetine de karşı koyar.

Mikrotübül polimerleri, çeşitli çevresel etkilere karşı son derece hassastır. Çok düşük serbest kalsiyum seviyeleri mikrotübülleri kararsızlaştırabilir ve bu, erken araştırmacıların polimeri in vitro olarak incelemesini engelledi. Soğuk sıcaklıklar ayrıca mikrotübüllerin hızlı depolimerizasyonuna neden olur. Buna karşılık, ağır su , mikrotübül polimer stabilitesini destekler.

Mikrotübüllerle etkileşime giren proteinler

Mikrotübül ilişkili proteinler (MAP'ler)

MAP'lerin in-vivo mikrotübül dinamiklerinin düzenlenmesinde çok önemli bir rol oynadığı gösterilmiştir . Mikrotübül polimerizasyon, depolimerizasyon ve felaket oranları, hangi mikrotübül ilişkili proteinlerin (MAP'ler) mevcut olduğuna bağlı olarak değişir . Beyin dokusundan orijinal olarak tanımlanmış MAP'ler, moleküler ağırlıklarına göre iki gruba ayrılabilir. Bu birinci sınıf, moleküler ağırlığı 55-62 kDa'nın altında olan MAP'leri içerir ve τ (tau) proteinleri olarak adlandırılır . In vitro , tau proteinlerinin mikrotübülleri doğrudan bağladığı, çekirdeklenmeyi teşvik ettiği ve parçalanmayı önlediği ve paralel dizilerin oluşumunu indüklediği gösterilmiştir. Ek olarak, tau proteinlerinin aksonlardaki mikrotübülleri stabilize ettiği ve Alzheimer hastalığına karıştığı gösterilmiştir. İkinci sınıf, moleküler ağırlığı 200-1000 kDa olan MAP'lerden oluşur ve bunların bilinen dört türü vardır: MAP-1, MAP-2 , MAP-3 ve MAP-4 . MAP-1 proteinleri bir dizi üç farklı proteinden oluşur: A , B ve C. C proteini veziküllerin retrograd taşınmasında önemli bir rol oynar ve sitoplazmik dinein olarak da bilinir . MAP-2 proteinleri, dendritlerde ve diğer hücre iskeleti filamentlerine bağlandıkları nöronların gövdesinde bulunur. MAP-4 proteinleri hücrelerin çoğunda bulunur ve mikrotübülleri stabilize eder. Mikrotübül yapısı üzerinde stabilize edici bir etkiye sahip olan MAP'lere ek olarak, diğer MAP'ler, mikrotübüllerin depolimerizasyonunu indükleyerek veya parçalayarak destabilize edici bir etkiye sahip olabilir. Katanin , spastin ve fidgetin adı verilen üç proteinin , destabilize edici aktiviteleri aracılığıyla mikrotübüllerin sayısını ve uzunluğunu düzenlediği gözlemlenmiştir. Ayrıca, KIAA1211L'nin mikrotübüllerde lokalize olduğu tahmin edilmektedir.

Artı uç izleme proteinleri (+TIP'ler)

Artı uç izleme proteinleri, büyüyen mikrotübüllerin uçlarına bağlanan ve mikrotübül dinamiklerini düzenlemede önemli bir rol oynayan MAP proteinleridir. Örneğin, +TIP'lerin mitoz sırasında mikrotübüllerin kromozomlarla etkileşimlerine katıldığı gözlemlenmiştir. +TIP olarak tanımlanan ilk MAP , mikrotübül depolimerizasyonu kurtarma olaylarında rol oynadığı gösterilen CLIP170'dir (sitoplazmik bağlayıcı protein). + TIP'lerin ek örnekleri arasında EB1 , EB2 , EB3 , p150Glued , Dynamitin , Lis1 , CLIP115 , CLASP1 ve CLASP2 yer alır .

motor proteinler

Bir mikrotübüle bağlı bir sitoplazmik dynein motoru.
Bir mikrotübüle bağlı bir kinesin molekülü.

Mikrotübüller, vezikül ticareti ve hücre bölünmesi gibi önemli hücresel fonksiyonlarda yer alan motor proteinler için substrat görevi görebilir. Diğer mikrotübül ilişkili proteinlerin aksine, motor proteinler, proteini substrat boyunca hareket ettiren mekanik iş üretmek için ATP hidrolizinden gelen enerjiyi kullanır. Mikrotübüllerle etkileşime giren başlıca motor proteinler , genellikle mikrotübülün (+) ucuna doğru hareket eden kinesin ve (-) ucuna doğru hareket eden dynein'dir .

  • Dynein , iki büyük küresel baş bölgesini oluşturan iki özdeş ağır zincirden ve değişken sayıda ara ve hafif zincirden oluşur. Dynein aracılı taşıma, mikrotübülün (+) ucundan (-) ucuna doğru gerçekleşir. ATP hidrolizi, AAA+ (çeşitli hücresel aktivitelerle ilişkili ATPaz) protein ailesi ile benzerlikleri paylaşan küresel baş alanlarında meydana gelir. Bu alanlardaki ATP hidrolizi, mikrotübül bağlama alanları yoluyla mikrotübül boyunca harekete bağlanır. Dynein, sitoplazma boyunca vezikülleri ve organelleri taşır. Bunu yapmak için, dynein molekülleri, organel zarlarını, dynactin de dahil olmak üzere bir dizi element içeren bir protein kompleksi aracılığıyla bağlar .
  • Kinesin , dynein ile benzer bir yapıya sahiptir. Kinesin, veziküller, organeller, protein kompleksleri ve mRNA'lar dahil olmak üzere çeşitli hücre içi kargoların mikrotübülün (+) ucuna taşınmasında rol oynar.

Genomlarını kopyalamak için çekirdeğe erişim gerektiren bazı virüsler ( retrovirüsler , herpesvirüsler , parvovirüsler ve adenovirüsler dahil ), motor proteinlere tutunur .

mitoz

sentrozomlar

Bir merkezkaçın 3 boyutlu diyagramı. Her daire bir mikrotübülü temsil eder. Toplamda 3'lü 9 demet halinde düzenlenmiş 27 mikrotübül vardır.

Sentrozom ana MTOC (olup mikrotübül organizasyon merkezi, mitoz sırasında hücre). Her sentrozom, birbirine dik açılarda yönlendirilmiş sentriyol adı verilen iki silindirden oluşur . Merkez, her biri kendisine bağlı iki kısmi mikrotübüle sahip 9 ana mikrotübülden oluşur. Her bir sentriyol yaklaşık 400 nm uzunluğunda ve yaklaşık 200 nm çapındadır.

Sentrozom, sürece dahil olan mikrotübüllerin çoğu sentrozomdan kaynaklandığı için mitoz için kritik öneme sahiptir. Her mikrotübülün eksi uçları sentrozomda başlar, artı uçları ise her yöne yayılır. Bu nedenle sentrozom, mitoz sırasında mikrotübüllerin polaritesinin korunmasında da önemlidir.

Çoğu hücre, hücre döngüsünün çoğu için yalnızca bir sentrozoma sahiptir, ancak mitozdan hemen önce, sentrozom kopyalanır ve hücre iki sentrozom içerir. Sentrozomdan yayılan mikrotübüllerin bazıları doğrudan kardeş sentrozomdan uzaklaşır. Bu mikrotübüllere astral mikrotübüller denir. Bu astral mikrotübüllerin yardımıyla sentrozomlar birbirlerinden hücrenin zıt taraflarına doğru hareket ederler. Bir kez orada, interpolar mikrotübüller ve K-lifleri dahil mitoz için gerekli olan diğer mikrotübül türleri oluşmaya başlayabilir.

Mitoz sırasında sentrozomlar ve mikrotübüller hakkında son bir önemli not, sentrozom, mitoz için gerekli mikrotübüller için MTOC iken, araştırmalar, mikrotübüllerin kendileri bir kez oluşturulduktan ve doğru yerde sentrozomların kendilerinin mitoz için gerekli olmadığını göstermiştir. meydana gelmek.

Mikrotübül alt sınıfları

Bu diyagram, hayvan hücrelerinde bulunan tipik bir mitotik iğin organizasyonunu göstermektedir. Burada mitoz sırasında üç ana mikrotübül tipi ve bunların hücre ve mitotik iğde nasıl yönlendirildiği gösterilmiştir.

Astral mikrotübüller , yalnızca mitoz sırasında ve çevresinde var olan mikrotübüllerin bir alt sınıfıdır. Sentrozomdan köken alırlar, ancak kromozomlar, kinetokorlar veya diğer sentrozomdan kaynaklanan mikrotübüllerle etkileşime girmezler. Bunun yerine mikrotübülleri hücre zarına doğru yayılır. Bir kez orada, mikrotübülleri ve dolayısıyla tüm sentrozomu hücre zarına doğru çeken kuvvet yaratan spesifik motor proteinlerle etkileşime girerler. Yukarıda belirtildiği gibi, bu, sentrozomların kendilerini hücrede birbirlerinden uzağa yönlendirmelerine yardımcı olur. Ancak bu astral mikrotübüller mitotik iğin kendisi ile etkileşime girmez. Deneyler, bu astral mikrotübüller olmadan mitotik iğciklerin oluşabileceğini, ancak hücre içindeki oryantasyonunun her zaman doğru olmadığını ve bu nedenle mitozun etkili bir şekilde gerçekleşmediğini göstermiştir. Astral mikrotübüllerin bir diğer önemli işlevi de sitokineze yardımcı olmaktır. Astral mikrotübüller, kromozomlar kopyalandıktan sonra iğ ve tüm hücreyi birbirinden ayırmak için hücre zarındaki motor proteinlerle etkileşime girer.

Interpolar/Polar mikrotübüller , mitoz sırasında sentrozomdan da yayılan bir mikrotübül sınıfıdır. Bu mikrotübüller, astral mikrotübüllerden farklı olarak mitotik iğe doğru yayılır. Interpolar mikrotübüller, mitoz sırasında mikrotübüllerin hem en bol hem de dinamik alt sınıfıdır. Mitotik iğdeki mikrotübüllerin yaklaşık yüzde 95'i interpolar olarak karakterize edilebilir. Ayrıca bu mikrotübüllerin yarı ömrü bir dakikadan az olduğu için son derece kısadır. Kinetokorlara bağlanmayan interpolar mikrotübüller, kinetokorlarla yanal etkileşim yoluyla kromozom topluluğuna yardımcı olabilir.

K lifleri/Kinetokor mikrotübülleri , mitotik mikrotübüllerin üçüncü önemli alt sınıfıdır. Bu mikrotübüller, mitotik iğdeki kinetokorlarla doğrudan bağlantılar oluşturur. Her K lifi 20-40 paralel mikrotübülden oluşur ve bir ucunda sentrozoma ve diğer ucunda her bir kromozomun merkezinde bulunan kinetokora bağlı güçlü bir tüp oluşturur. Her sentrozom, her bir kromozom çiftine bağlanan bir K lifine sahip olduğundan, kromozomlar, K lifleri tarafından mitotik iğin ortasında bağlanır. K liflerinin yarı ömrü interpolar mikrotübüllerden 4 ila 8 dakika arasında çok daha uzundur. Mitozun sonunda, her bir K lifini oluşturan mikrotübüller ayrışmaya başlar ve böylece K liflerini kısa devre yapar. K lifleri kısaldıkça çift kromozomlar sitokinezden hemen önce ayrılır. Daha önce, bazı araştırmacılar K liflerinin eksi uçlarında diğer mikrotübüller gibi sentrozomdan kaynaklandığına inanıyorlardı, ancak yeni araştırmalar farklı bir mekanizmaya işaret etti. Bu yeni mekanizmada, K lifleri başlangıçta kinetokorlar tarafından artı uçlarında stabilize edilir ve oradan büyür. Bu K liflerinin eksi ucu sonunda mevcut bir Interpolar mikrotübüle bağlanır ve sonunda bu şekilde sentrozoma bağlanır.

Mitotik iğdeki mikrotübül nükleer

Mitotik iği oluşturan mikrotübüllerin çoğu, sentrozomdan kaynaklanır. Başlangıçta, tüm bu mikrotübüllerin, arama ve yakalama adı verilen ve yukarıdaki bir bölümde daha ayrıntılı olarak açıklanan bir yöntemle sentrozomdan kaynaklandığı düşünülüyordu, ancak yeni araştırmalar, mitoz sırasında mikrotübül çekirdeklenmesinin ilave araçlarının olduğunu göstermiştir. Bu ek mikrotübül çekirdeklenme yollarının en önemlilerinden biri RAN-GTP yoludur. RAN-GTP, kromozomların yakınında mikrotübüllerin lokal çekirdeklenmesine izin veren bir gradyan oluşturmak için mitoz sırasında kromatin ile birleşir. Ayrıca, augmin/HAUS kompleksi olarak bilinen ikinci bir yol (bazı organizmalar daha fazla çalışılan augmin kompleksini kullanırken, insanlar gibi diğerleri HAUS adı verilen benzer bir kompleksi kullanır), mitotik iğde ek bir mikrotübül çekirdeklenme aracı olarak işlev görür.

Fonksiyonlar

hücre göçü

Mikrotübül artı uçları genellikle belirli yapılara lokalizedir. Polarize interfaz hücrelerde, mikrotübüller orantısız olarak MTOC'den göç eden fibroblastların ön kenarı gibi polarite bölgesine doğru yönlendirilir . Bu konfigürasyonun, Golgi'den polarite bölgesine mikrotübüle bağlı veziküllerin iletilmesine yardımcı olduğu düşünülmektedir .

Sürünen çoğu memeli hücresinin göçü için mikrotübüllerin dinamik kararsızlığı da gereklidir. Dinamik mikrotübüller , hücre kasılmasını ve hücre yayılmasını düzenleyen RhoA ve Rac1 gibi önemli G proteinlerinin seviyelerini düzenler. Göç için gerekli olan fokal yapışma demontajını tetiklemek için dinamik mikrotübüller de gereklidir . Mikrotübüllerin, hücre hareketi sırasında arka kenarın geri çekilmesi için gerekli olan kasılma kuvvetlerine karşı koyan "destekler" gibi davrandığı bulunmuştur. Hücrenin arka kenarındaki mikrotübüller dinamik olduğunda, geri çekilmeye izin vermek için yeniden şekillenebilirler. Dinamikler baskılandığında, mikrotübüller yeniden şekillenemez ve bu nedenle kasılma kuvvetlerine karşı çıkar. Bastırılmış mikrotübül dinamiğine sahip hücrelerin morfolojisi, hücrelerin ön kenarı uzatabildiğini (hareket yönünde polarize), ancak arka kenarlarını geri çekmekte zorlandıklarını gösterir. Öte yandan, yüksek ilaç konsantrasyonları veya mikrotübülleri depolimerize eden mikrotübül mutasyonları hücre göçünü yeniden sağlayabilir ancak yön kaybı vardır. Mikrotübüllerin hem hücre hareketini kısıtlamak hem de yönlülük oluşturmak için hareket ettiği sonucuna varılabilir.

kirpikler ve kamçı

Mikrotübüller ökaryotik kirpikler ve flagellada önemli bir yapısal role sahiptir . Kirpikler ve flagella her zaman doğrudan bir MTOC'den uzanır, bu durumda bazal gövde olarak adlandırılır. Dynein motor proteinlerinin bir siliyer veya kamçı boyunca uzanan çeşitli mikrotübül iplikleri üzerindeki etkisi, organelin bükülmesine ve yüzme, hücre dışı materyali hareket ettirme ve diğer roller için kuvvet üretmesine izin verir. Prokaryotlar , FtsZ dahil olmak üzere tübüline benzer proteinlere sahiptir. Bununla birlikte, prokaryotik flagella, yapı olarak ökaryotik flagelladan tamamen farklıdır ve mikrotübül bazlı yapılar içermez.

Gelişim

Mikrotübüllerin oluşturduğu hücre iskeleti , bir organizmanın gelişiminin morfogenetik süreci için esastır . Örneğin, polarize mikrotübüllerin bir ağ içinde gerekli olan oositin ve Drosophila melanogaster onun boyunca embriyojenez yumurta eksenini oluşturmak amacıyla. Foliküler hücreler ile oosit arasında gönderilen sinyaller ( epidermal büyüme faktörüne benzer faktörler gibi ) mikrotübüllerin (-) uçları oositin alt kısmında yer alacak şekilde yeniden düzenlenmesine neden olarak yapıyı polarize eder ve görünümüne yol açar. bir ön-arka eksen. Vücudun mimarisindeki bu katılım, memelilerde de görülür .

Mikrotübül gerekli olan diğer bir alan olan sinir sisteminin gelişimi yüksek omurgalıların tübülin dinamiklerini ve (örneğin, mikrotübüle bağlı proteinler olarak) ilişkili proteinlerin, bu ince gelişimi sırasında kontrol edilir, sinir sistemi .

gen regülasyonu

Hücresel hücre iskeleti, birçok farklı düzeyde işlev gören dinamik bir sistemdir: Hücreye belirli bir form vermenin ve veziküllerin ve organellerin taşınmasını desteklemenin yanı sıra, gen ekspresyonunu da etkileyebilir . Sinyal transdüksiyon Bu iletişimde olan mekanizmalar çok az anlaşılmıştır. Bununla birlikte, mikrotübüllerin ilaç aracılı depolimerizasyonu ile transkripsiyon faktörlerinin spesifik ekspresyonu arasındaki ilişki , bu faktörlerin varlığına bağlı olarak genlerin diferansiyel ekspresyonu hakkında bilgi veren açıklanmıştır. Hücre iskeleti ve hücresel yanıtın düzenlenmesi arasındaki bu iletişim aynı zamanda büyüme faktörlerinin etkisiyle de ilgilidir : örneğin, bu ilişki bağ dokusu büyüme faktörü için mevcuttur .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar