Катанин - Katanin
Катанин - это белок ААА, разрывающий микротрубочки . Он назван в честь японского меча под названием катана . Катанин - это гетеродимерный белок, впервые обнаруженный у морских ежей . Он содержит субъединицу АТФазы 60 кДа , кодируемую KATNA1 , которая предназначена для разделения микротрубочек. Эта субъединица требует для активации АТФ и наличия микротрубочек. Вторая субъединица 80 кДа, кодируемая KATNB1 , регулирует активность АТФазы и локализует белок в центросомах . Электронная микроскопия показывает, что катанин в своем активном олигомеризованном состоянии образует кольца размером 14–16 нм на стенках микротрубочек (но не вокруг микротрубочек).
Механизм и регуляция длины микротрубочек
Структурный анализ с использованием электронной микроскопии показал, что протофиламенты микротрубочек меняют форму от прямой к изогнутой при гидролизе β- тубулина GTP . Однако, когда эти протофиламенты являются частью полимеризованной микротрубочки, стабилизирующие взаимодействия, создаваемые окружающими блокировочными субъединицами решетки, принимают прямую конформацию даже после гидролиза GTP . Чтобы нарушить эти стабильные взаимодействия, катанин, когда-то связанный с АТФ, олигомеризуется в кольцевую структуру на стенке микротрубочек - в некоторых случаях олигомеризация увеличивает сродство катанина к микротрубочкам и стимулирует его АТФазную активность. Как только эта структура сформирована, катанин гидролизует АТФ и, вероятно, претерпевает конформационные изменения, которые создают механическую нагрузку на субъединицы тубулина, что дестабилизирует их взаимодействия в решетке микротрубочек. Прогнозируемое конформационное изменение также, вероятно, снижает сродство катанина к тубулину, а также к другим белкам катанина, что приводит к разборке кольцевой структуры катанина и повторному использованию отдельных инактивированных белков.
Разделение микротрубочек катанином регулируется факторами обмена нуклеотидов , которые могут обменивать АДФ на АТФ, защитные белки, связанные с микротрубочками (MAP), и субъединицу p80 (p60 рассекает микротрубочки намного лучше в присутствии p80). Эти механизмы имеют разные последствия в зависимости от того, где в клетке они активированы или нарушены. Например, допущение опосредованного катанином отделения центросомы высвобождает микротрубочки для свободного движения. В одном эксперименте антитела против катанина вводили в клетку, вызывая большое скопление микротрубочек вокруг центросомы и подавление роста микротрубочек. Следовательно, катанин-опосредованное разделение может служить для поддержания организации в цитоплазме , способствуя разборке микротрубочек и их эффективному перемещению. Во время деления клетки разделение на полюсе веретена дает свободные концы микротрубочек и позволяет направленный к полюсу поток тубулина и втягивание микротрубочек. Разделение микротрубочек в цитоплазме облегчает беговую дорожку и подвижность, что важно во время развития.
Роль в делении клеток
Катанин-опосредованное разделение микротрубочек является важным шагом в митозе и мейозе . Было показано, что катанин отвечает за разделение микротрубочек во время М-фазы у Xenopus laevis . Отделение микротрубочек от их межфазных структур необходимо для подготовки клетки и митотического веретена к делению клетки. Эта регуляция является косвенной: белки MAP, которые защищают микротрубочки от разрыва во время интерфазы, диссоциируют и позволяют катанину действовать. Кроме того, катанин отвечает за разделение микротрубочек на митотических веретенах, когда требуется разборка для разделения сестринских хроматид во время анафазы . Аналогичные результаты были получены в отношении активности катанина во время мейоза у C. elegans . Сообщалось, что Mei-1 и Mei-2 кодируют белки, аналогичные p60 и p80 субъединицам катанина. С помощью антител было обнаружено, что эти два белка локализуются на концах микротрубочек в мейотическом веретене, и при экспрессии в клетках HeLa эти белки инициируют разделение микротрубочек. Эти находки указывают на то, что катанин служит сходной цели как в митозе, так и в мейозе, разделяя хроматиды по направлению к полюсам веретена.
Роль в развитии
Катанин важен для развития многих организмов. Как удаление, так и сверхэкспрессия катанина вредны для роста аксонов , и, таким образом, катанин должен тщательно регулироваться для правильного нервного развития. В частности, разделение микротрубочек в определенных клеточных пространствах позволяет фрагментам тестировать различные пути роста. Катанин оказался нужным в этой задаче. Эксперимент с использованием покадровой цифровой визуализации флуоресцентно меченого тубулина продемонстрировал, что конусы роста аксонов приостанавливаются и фрагменты микротрубочек в местах ветвления во время развития нервной системы.
Аналогичный эксперимент с использованием флуоресцентно меченым тубулина наблюдал локальную фрагментацию микротрубочек в тритон легких клеток ламеллиподия во время миграции развития, в которой фрагменты идут перпендикулярно к клеточной мембране , наступающей к разведке помощи. Локальный характер обоих событий фрагментации, вероятно, указывает на регуляцию с помощью катанина, поскольку он может концентрироваться в определенных клеточных регионах. Это подтверждается исследованием, которое продемонстрировало, что мутация Fra2, которая затрагивает ортолог катанина у Arabidopsis thaliana , приводит к аберрантному расположению микрофибрилл целлюлозы вдоль развивающейся клеточной стенки у этих растений. Эта мутация привела к фенотипу со сниженным удлинением клеток, что свидетельствует о значении катанина в развитии широкого круга организмов.
Функция в нейронах
Катанин известен в нервной системе в изобилии, и даже умеренные его уровни могут вызвать значительное истощение микротрубочек. Но микротрубочки необходимо разрезать в других отделах нейрона, чтобы достаточное количество микротрубочек могло быстро транспортироваться.
В нервной системе соотношение двух субъединиц резко отличается от других органов тела. Таким образом, важно иметь возможность регулировать соотношение, чтобы контролировать расслоение микротрубочек. Мономер p80 находится во всех отделах нейрона, что означает, что его функция не может заключаться только в нацеливании на катанин. Катанин p80 имеет несколько доменов с разными функциями. Один домен нацелен на центросому, другой увеличивает разрыв микротрубочек с помощью катанина p60, а последний подавляет разделение микротрубочек. Обилие катанина в нейронах показывает, что они могут двигаться по аксону. В точках ветвления аксонов и в конусах роста нейронов происходит разрыв микротрубочек. Распределение катанина в нейроне помогает понять феномен регуляции длины и количества микротрубочек, а также высвобождения микротрубочек из центросомы.
Считается, что катанин регулируется фосфорилированием других белков. После небольшого изгиба микротрубочки превращаются в фибробласты . Но когда присутствует катанин, изгиб может привести к поломке, потому что это улучшает доступ катанина к решетке.
Функция в растениях
Катанин также имеет сходные функции у высших растений. Форма и структура растительной клетки определяется жесткой клеточной стенкой , содержащей высокоорганизованную целлюлозу, на ориентацию которой влияют микротрубочки, которые служат для направления отложения образующихся волокон. Ориентация микрофибрилл целлюлозы внутри клеточной стенки определяется микротрубочками, которые расположены перпендикулярно главной оси роста клетки. Поскольку в растительных клетках отсутствуют традиционные центросомы, катанин накапливается в ядерной оболочке во время препрофазы и профазы , где образуются микротрубочки веретена.
Во время удлинения клетки микротрубочки должны постоянно корректировать свою ориентацию, чтобы не отставать от увеличения длины клетки. Было предложено, чтобы это постоянное изменение в организации микротрубочек происходило за счет быстрой разборки, сборки и перемещения микротрубочек. В последнее время мутации в растении Катанин гомолога Было показано , что для изменения переходов в организации микротрубочек, которые, в свою очередь, вызывают нарушения в надлежащем осаждения целлюлозы и гемицеллюлозы . Предполагается, что это вызвано неспособностью растительной клетки регулировать длину микротрубочек.
Не существует гомолога для регуляторной субъединицы катанина p80. Таким образом, для описания его функций в растениях был создан меченный гистом At-p60. His-At-p60 может разрезать микротрубочки in vitro в присутствии АТФ. Он напрямую взаимодействует с микротрубочками в анализах совместной седиментации. Активность АТФазы стимулировалась негиперболическим способом. Гидролиз АТФ стимулируется при низком соотношении тубулин / At-p60 и ингибируется при более высоком соотношении. Низкие отношения благоприятствуют взаимодействиям субъединиц катанина, тогда как высокие отношения указывают на нарушение. At-p60 может олигомеризоваться, как и животные. At-p60 напрямую взаимодействует с микротрубочками, тогда как p60 животного связывается через их N-концы . N-концевая часть p60 плохо сохраняется между царствами растений и животных.