Зарождение микротрубочек

В биологии клетки зарождение микротрубочек является событием, которое инициирует de novo формирование микротрубочек (МТ). Эти нити цитоскелета обычно формируются посредством полимеризации α- и β- димеров тубулина , основных строительных блоков микротрубочек, которые первоначально взаимодействуют для зарождения семени, из которого удлиняется нить. [1]

Зарождение микротрубочек происходит спонтанно in vitro , при этом растворы очищенного тубулина дают начало полноразмерным полимерам. Димеры тубулина, из которых состоят полимеры, обладают внутренней способностью к самоагрегации и сборке в цилиндрические трубки при условии достаточного запаса ГТФ. Однако кинетические барьеры такого процесса означают, что скорость, с которой микротрубочки спонтанно зарождаются, относительно низкая. [2]

Роль γ-тубулина и кольцевого комплекса γ-тубулина (γ-TuRC)

In vivo клетки обходят этот кинетический барьер, используя различные белки для содействия зарождению микротрубочек. Основной путь, посредством которого зарождение микротрубочек происходит, требует действия третьего типа тубулина, γ-тубулина , который отличается от субъединиц α и β, из которых состоят сами микротрубочки. γ-тубулин объединяется с несколькими другими ассоциированными белками, образуя коническую структуру, известную как кольцевой комплекс γ-тубулина (γ-TuRC). Этот комплекс с его 13-кратной симметрией действует как каркас или матрица для димеров α/β тубулина во время процесса зарождения, ускоряя сборку кольца из 13 протофиламентов , составляющих растущую микротрубочку. [3] γ-TuRC также действует как колпачок (−) конца, в то время как микротрубочка продолжает рост со своего (+) конца. Этот колпачок обеспечивает как стабильность, так и защиту (-) конца микротрубочки от ферментов, которые могут привести к его деполимеризации, а также ингибирует рост (-) конца.

Зарождение микротрубочек из центров организации микротрубочек (ЦОМТ)

γ-TuRC обычно обнаруживается как основная функциональная единица в центре организации микротрубочек (MTOC), таком как центросома в некоторых клетках животных или веретенообразные тела у грибов и водорослей . γ-TuRC в центросоме зарождают массив микротрубочек в интерфазе , которые расширяют свои (+)-концы радиально наружу в цитоплазму по направлению к периферии клетки. Помимо других функций, этот радиальный массив используется моторными белками на основе микротрубочек для транспортировки различных грузов, таких как везикулы, к плазматической мембране.

Центросома является наиболее распространенным ЦОМТ для мультипотентных клеток у животных, при этом дифференцированные ткани используют широкий спектр нецентросомных ЦОМТ.

Нецентросомные ЦМТО

В клетках животных, претерпевающих митоз , аналогичный радиальный массив образуется из двух ЦМТ, называемых полюсами веретена , которые производят биполярное митотическое веретено. Однако некоторые клетки, такие как клетки высших растений и ооцитов, не имеют отдельных ЦМТ, и микротрубочки зарождаются через нецентросомный путь. Другие клетки, такие как нейроны, клетки скелетных мышц и эпителиальные клетки, которые имеют ЦМТ, обладают массивами микротрубочек, не связанных с центросомой. [4] Эти нецентросомные массивы микротрубочек могут принимать различные геометрии, такие как те, которые приводят к длинной, тонкой форме миотрубочек , тонким выступам аксона или сильно поляризованным доменам эпителиальной клетки .

В эпителиальных клетках CAMSAP3 действует как нецентросомный MTOC и локализуется в апикальной мембране клетки. [5] Микротрубочки растут из этого домена параллельными линиями, придавая клетке прямоугольную форму.

Ранние клетки эмбриона мыши до имплантации используют уникальный нецентросомный MTOC в форме интерфазного мостика микротрубочек, соединяющего сестринские клетки. Этот интерфазный мостик организует микротрубочки обеих клеток и использует CAMSAP3 для связывания минус-концов микротрубочек. [6]

В кортикальном массиве растений, а также в аксонах нейронов, предполагается, что микротрубочки зарождаются из существующих микротрубочек посредством действия разделяющих ферментов, таких как катанин . [7] Подобно действию кофилина при создании массивов актиновых филаментов, разделение микротрубочек MAP создает новые плюсовые (+) концы, из которых могут расти микротрубочки. Таким образом, динамические массивы микротрубочек могут быть созданы без помощи γ-TuRC.

Зарождение разветвленных МТ

Исследования с использованием экстрактов яиц Xenopus выявили новую форму зарождения микротрубочек, которая генерирует веерообразные разветвленные массивы, в которых новые микротрубочки растут под углом от старых микротрубочек. Эти разветвленные микротрубочки сохраняют ту же полярность, что и их материнские микротрубочки, и их сборка включает связывание нецентросомных γ-TuRC со сторонами существующих микротрубочек через комплекс аугмина . Этот метод зарождения микротрубочек, зависящего от микротрубочек, приводит к быстрому увеличению плотности микротрубочек. [8]

Зарождение разветвленных микротрубочек наблюдалось у многочисленных организмов как в растительном, так и в животном мире. Используя микроскопию TIRF , исследователи визуально наблюдали зарождение разветвленных микротрубочек в клетках Drosophila во время формирования митотического веретена. [9] Было идентифицировано пять белков Drosophila (DGT2 через DGT6), которые необходимы и отвечают за облегчение локализации γ-тубулина в существующих МТ и не связаны с его локализацией в центросоме. [10]

Роль белков, ассоциированных с микротрубочками (MAP)

Хотя γ-TuRC является основным белком, используемым для зарождения микротрубочек, это не единственный белок, который действует как фактор зарождения. Несколько других MAP помогают γ-TuRC в процессе зарождения, в то время как другие зарождают микротрубочки независимо от γ-TuRC. В зарождении с разветвлением, описанном выше, добавление TPX2 к экстрактам яиц привело к резкому увеличению событий зарождения — в то время как в других исследованиях белок XMAP215 , in vitro , зарождал звезды микротрубочек, а его истощение in vivo снижало потенциал зарождения центросом. [11] Связывающий микротрубочки белок даблкортин , in vitro , зарождает микротрубочки — действуя путем связывания с боковой стороной, а не с концом растущих микротрубочек. [12] Таким образом, в клетках может существовать семейство белков-факторов нуклеации, которые используют различные механизмы для снижения энергетических затрат на нуклеацию микротрубочек. Недавние исследования предоставили доказательства в пользу концепции, что стимуляция нуклеации микротрубочек возможна при сочетании димеров α- и β- тубулина и вышеупомянутого MAP TPX2 , даже при отсутствии γ-TuRC. [13]

Несколько белков участвуют в форматировании γ-TuRC и временном и пространственном контроле зарождения микротрубочек. К ним относятся, например, спирально-спиральные белки со структурными функциями и регуляторные белки, такие как компоненты цикла Ran . NEDD1 привлекает γ-TuRC в центросому , связываясь с γ-тубулином. [14] [15]

Ссылки

  1. ^ Job D, Valiron O, Oakley B (февраль 2003 г.). «Зарождение микротрубочек». Current Opinion in Cell Biology . 15 (1): 111–117. doi :10.1016/S0955-0674(02)00003-0. PMID  12517712.
  2. ^ Десаи А., Митчисон Т.Дж. (1998). «Динамика полимеризации микротрубочек». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 13 : 83–117. doi :10.1146/annurev.cellbio.13.1.83. PMID  9442869.
  3. ^ Kollman JM, Polka JK, Zelter A, Davis TN, Agard DA (август 2010 г.). «Microtubule nucleating gamma-TuSC assembles structures with 13-fold microtubule-like symmetry». Nature . 466 (7308): 879–882. ​​Bibcode :2010Natur.466..879K. doi :10.1038/nature09207. PMC 2921000 . PMID  20631709. 
  4. ^ Бартолини Ф., Гундерсен Г.Г. (октябрь 2006 г.). «Генерация нецентросомных массивов микротрубочек». Журнал клеточной науки . 119 (ч. 20): 4155–4163. doi :10.1242/jcs.03227. PMID  17038542. S2CID  8505948.
  5. ^ Мэн, Вэньсян; Мусика, Ёшими; Ичии, Тецуо; Такеичи, Масатоши (ноябрь 2008 г.). «Закрепление минусовых концов микротрубочек к адгезионным соединениям регулирует межклеточные контакты эпителия». Клетка . 135 (5): 948–959. дои : 10.1016/j.cell.2008.09.040 . ISSN  0092-8674. PMID  19041755. S2CID  14503414.
  6. ^ Zenker, J.; White, MD; Templin, RM; Parton, RG; Thorn-Seshold, O.; Bissiere, S.; Plachta, N. (сентябрь 2017 г.). «Центр организации микротрубочек, направляющий внутриклеточный транспорт в раннем эмбрионе мыши». Science . 357 (6354): 925–928. Bibcode :2017Sci...357..925Z. doi : 10.1126/science.aam9335 . ISSN  0036-8075. PMID  28860385. S2CID  206658036.
  7. ^ Линдебум Дж. Дж., Накамура М., Хиббель А., Шундиак К., Гутьеррес Р., Кетелаар Т. и др. (декабрь 2013 г.). «Механизм переориентации массивов корковых микротрубочек, вызванный разрывом микротрубочек». Наука . 342 (6163): 1245533. doi : 10.1126/science.1245533 . PMID  24200811. S2CID  206552196.
  8. ^ Petry S, Groen AC, Ishihara K, Mitchison TJ, Vale RD (февраль 2013 г.). «Разветвленное зарождение микротрубочек в экстрактах яиц Xenopus, опосредованное аугмином и TPX2». Cell . 152 (4): 768–777. doi :10.1016/j.cell.2012.12.044. PMC 3680348 . PMID  23415226. 
  9. ^ Verma V, Maresca TJ (сентябрь 2019 г.). «Прямое наблюдение за зарождением ветвящихся МТ в живых клетках животных». Журнал клеточной биологии . 218 (9): 2829–2840. doi :10.1083/jcb.201904114. PMC 6719462. PMID 31340987  . 
  10. ^ Goshima G, Wollman R, Goodwin SS, Zhang N, Scholey JM, Vale RD, Stuurman N (апрель 2007 г.). «Гены, необходимые для сборки митотического веретена в клетках Drosophila S2». Science . 316 (5823): 417–421. Bibcode :2007Sci...316..417G. doi :10.1126/science.1141314. PMC 2837481 . PMID  17412918. 
  11. ^ Попов АВ, Северин Ф, Карсенти Е (август 2002). "XMAP215 необходим для активности центросом, зарождающей микротрубочки". Current Biology . 12 (15): 1326–1330. Bibcode :2002CBio...12.1326P. doi : 10.1016/s0960-9822(02)01033-3 . PMID  12176362.
  12. ^ Bechstedt S, Brouhard GJ (июль 2012 г.). «Doublecortin кооперативно распознает 13-протофиламентную микротрубочку и отслеживает концы микротрубочки». Developmental Cell . 23 (1): 181–192. doi :10.1016/j.devcel.2012.05.006. PMC 3951992 . PMID  22727374. 
  13. ^ Sulimenko V, Dráberová E, Dráber P (2022). "γ-Tubulin in microtubule nucleation and beyond". Frontiers in Cell and Developmental Biology . 10 : 880761. doi : 10.3389/fcell.2022.880761 . PMC 9503634. PMID  36158181. 
  14. ^ Haren L, Remy MH, Bazin I, Callebaut I, Wright M, Merdes A (февраль 2006 г.). «NEDD1-зависимое привлечение комплекса гамма-тубулинового кольца к центросоме необходимо для дупликации центриолей и сборки веретена». The Journal of Cell Biology . 172 (4): 505–515. doi :10.1083/jcb.200510028. PMC 2063671 . PMID  16461362. 
  15. ^ Manning JA, Shalini S, Risk JM, Day CL, Kumar S (март 2010 г.). «Прямое взаимодействие с NEDD1 регулирует привлечение гамма-тубулина в центросому». PLOS ONE . ​​5 (3): e9618. Bibcode :2010PLoSO...5.9618M. doi : 10.1371/journal.pone.0009618 . PMC 2835750 . PMID  20224777. 
  • MBInfo: Микротрубочка
  • MBInfo: Сборка комплекса тубулина
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Зарождение_микротрубочек&oldid=1209509867"