Mikrotubule - Microtubule

Infografika metrik tubulinu a mikrotubulů
Metriky mikrotubulů a tubulinu

Mikrotubuly jsou polymery z tubulinu , že tvoří součást cytoskeletu a poskytují strukturu a tvar eukaryotických buněk . Mikrotubuly mohou růst až 50  mikrometrů a jsou vysoce dynamické. Vnější průměr mikrotubulů je mezi 23 a 27  nm, zatímco vnitřní průměr je mezi 11 a 15 nm. Jsou vytvořeny polymerací dimeru dvou globulárních proteinů , alfa a beta tubulinu na protofilamenty, které se pak mohou laterálně spojit a vytvořit dutou trubici, mikrotubule. Nejběžnější forma mikrotubulů se skládá ze 13 protofilamentů v trubicovém uspořádání.

Mikrotubuly jsou jedním z cytoskeletálních filamentových systémů v eukaryotických buňkách. Cytoskelet mikrotubulů se podílí na transportu materiálu uvnitř buněk, který je prováděn motorickými proteiny, které se pohybují na povrchu mikrotubulů.

Mikrotubuly jsou velmi důležité v řadě buněčných procesů . Podílejí se na udržování struktury buňky a spolu s mikrofilamenty a intermediárními filamenty tvoří cytoskelet . Tvoří také vnitřní strukturu řasinek a bičíků . Poskytují platformy pro intracelulární transport a podílejí se na řadě buněčných procesů, včetně pohybu sekrečních vezikul , organel a intracelulárních makromolekulárních sestav (viz záznamy pro dynein a kinesin ). Podílejí se také na buněčném dělení ( mitózou a meiózou ) a jsou hlavními složkami mitotických vřeten , která se používají k oddělování eukaryotických chromozomů od sebe.

Mikrotubuly jsou nukleovány a organizovány mikrotubulovými organizačními centry (MTOC), jako je centrosom nacházející se ve středu mnoha zvířecích buněk nebo bazální těla nacházející se v řasinách a bičících nebo těla vřetenových pólů nacházejících se ve většině hub.

Existuje mnoho proteinů, které se vážou na mikrotubuly, včetně motorických proteinů kinesin a dynein , proteinů dělících mikrotubuly, jako je katanin , a dalších proteinů důležitých pro regulaci dynamiky mikrotubulů. Nedávno byl protein podobný aktinu nalezen v grampozitivní bakterii Bacillus thuringiensis , která tvoří strukturu podobnou mikrotubulům nazývanou nanotubule, zapojená do segregace plazmidů . Jiné bakteriální mikrotubuly mají prsten pěti protofilamentů.

Dějiny

Procesy zprostředkované tubuliny a mikrotubuly, jako je pohyb buněk, byly pozorovány ranými mikroskopisty, jako Leeuwenhoek (1677). Vláknitá povaha bičíků a dalších struktur byla objevena o dvě století později se zdokonalenými světelnými mikroskopy a ve 20. století byla potvrzena elektronovým mikroskopem a biochemickými studiemi.

Mikrotubulové in vitro testy pro motorické proteiny, jako je dynein a kinesin, jsou zkoumány fluorescenčním značením mikrotubulů a fixací buď mikrotubulů nebo motorických proteinů na mikroskopické sklíčko a poté vizualizací sklíčka pomocí video-vylepšené mikroskopie pro záznam pohybu motorických proteinů mikrotubulů. To umožňuje pohyb motorických proteinů podél mikrotubulů nebo mikrotubulů pohybujících se přes motorické proteiny. V důsledku toho lze některé procesy mikrotubulů určit pomocí kymografu .

Struktura

Kreslené znázornění struktury heterodimerů α (žlutý)/β (červený)-tubulin, GTP a GDP.

V eukaryotech jsou mikrotubuly dlouhé duté válce tvořené polymerizovanými dimery α- a β- tubulinu . Vnitřní prostor dutých válců mikrotubulů se označuje jako lumen. Podjednotky a a p-tubulinu jsou na úrovni aminokyselin identické a každá má molekulovou hmotnost přibližně 50 kDa.

Tyto dimery a/p-tubulinu polymerují end-to-end na lineární protofilamenty, které se laterálně sdružují za vzniku jediného mikrotubulu, který lze poté rozšířit přidáním dalších dimerů a/β-tubulinu. Mikrotubuly jsou typicky vytvářeny paralelní asociací třinácti protofilamentů, ačkoli u různých druhů i in vitro byly pozorovány mikrotubuly složené z méně nebo více protofilamentů .

Mikrotubuly mají zřetelnou polaritu, která je kritická pro jejich biologickou funkci. Tubulin polymeruje od konce ke konci, přičemž p-podjednotky jednoho tubulinového dimeru jsou v kontaktu s a-podjednotkami dalšího dimeru. Proto v protofilamentu bude mít jeden konec vystaveny a-podjednotky, zatímco na druhém konci budou vystaveny p-podjednotky. Tyto konce jsou označeny ( -) a (+) konci. Protofilamenty se svazují navzájem rovnoběžně se stejnou polaritou, takže v mikrotubulu je jeden konec, (+) konec s odhalenými pouze β-podjednotkami, zatímco druhý konec, (-) konec, má pouze α -odhaleny podjednotky. Zatímco prodloužení mikrotubulů může nastat na (+) i ( -) koncích, na (+) konci je podstatně rychlejší.

Boční asociace protofilament generuje pseudo-šroubovicovou strukturu, přičemž jeden závit šroubovice obsahuje 13 tubulinových dimerů, každý z jiného protofilamentu. V nejběžnější architektuře „13-3“ 13. tubulinový dimer interaguje s dalším tubulinovým dimerem s vertikálním posunem 3 tubulinových monomerů kvůli helicitě obratu. Existují i ​​jiné alternativní architektury, například 11-3, 12-3, 14-3, 15-4 nebo 16-4, které byly detekovány s mnohem nižším výskytem. Mikrotubuly se mohou také přeměnit na jiné formy, jako jsou šroubovicová vlákna, která jsou pozorována u prvoků, jako je foraminifera . Existují dva odlišné typy interakcí, které mohou nastat mezi podjednotkami laterálních protofilamentů v mikrotubulu nazývanými mříže typu A a typu B. V mřížce typu A dochází k laterálním asociacím protofilamentů mezi sousedícími podjednotkami α a β-tubulin (tj. Podjednotka a-tubulinu z jednoho protofilamentu interaguje s podjednotkou β-tubulinu ze sousedního protofilamentu). V mřížce typu B interagují podjednotky α a β-tubulinu z jednoho protofilamentu s podjednotkami α a β-tubulin ze sousedního protofilamentu. Experimentální studie ukázaly, že mřížka typu B je primárním uspořádáním v mikrotubulech. Ve většině mikrotubulů však existuje šev, ve kterém tubulinové podjednotky interagují a-β.

Některé druhy Prosthecobacter také obsahují mikrotubuly. Struktura těchto bakteriálních mikrotubulů je podobná eukaryotickým mikrotubulům, skládající se z duté trubice protofilamentů sestavené z heterodimerů bakteriálního tubulinu A (BtubA) a bakteriálního tubulinu B (BtubB). Jak BtubA, tak BtubB sdílejí vlastnosti α- i β- tubulinu . Na rozdíl od eukaryotických mikrotubulů bakteriální mikrotubuly nevyžadují skládání chaperonů. Na rozdíl od 13 protofilamentů eukaryotických mikrotubulů obsahuje bakteriální mikrotubuly pouze pět.

Intracelulární organizace

Mikrotubuly jsou součástí cytoskeletu , strukturální sítě v cytoplazmě buňky . Role mikrotubulárního cytoskeletu zahrnují mechanickou podporu, organizaci cytoplazmy, transport, pohyblivost a segregaci chromozomů. Při vývoji neuronů jsou mikrotubuly známé jako neurotubuly a mohou modulovat dynamiku aktinu , další složky cytoskeletu. Mikrotubule je schopna růstu a smršťování za účelem generování síly a existují motorické proteiny, které umožňují přenášení organel a dalších buněčných složek podél mikrotubulů. Tato kombinace rolí činí mikrotubuly důležité pro organizaci a přesun intracelulárních složek.

Organizace mikrotubulů v buňce je specifická pro buněčný typ. V epitelu jsou minus-konce polymeru mikrotubulů ukotveny poblíž místa kontaktu buňka-buňka a organizovány podél apikálně-bazální osy. Po nukleaci se minus-konce uvolní a poté znovu ukotví na periferii faktory, jako jsou ninin a PLEKHA7 . Tímto způsobem mohou usnadnit transport proteinů, vezikul a organel podél apikálně-bazální osy buňky. U fibroblastů a jiných mezenchymálních buněčných typů jsou mikrotubuly ukotveny v centrosomu a vyzařují svými plusovými konci směrem ven k periferii buňky (jak je znázorněno na prvním obrázku). V těchto buňkách hrají mikrotubuly důležitou roli při migraci buněk. Kromě toho na polaritu mikrotubulů působí motorické proteiny, které organizují mnoho složek buňky, včetně endoplazmatického retikula a Golgiho aparátu .

Složky eukaryotického cytoskeletu. Aktinová vlákna jsou znázorněna červeně, mikrotubuly zeleně a jádra modře. Cystoskeleton poskytuje buňce vnitřní kostru a umožňuje jí pohybovat se a měnit tvar.

Polymerace mikrotubulů

Nukleace

Nukleace je událost, která iniciuje tvorbu mikrotubulů z tubulinového dimeru. Mikrotubuly jsou obvykle nukleovány a organizovány organelami nazývanými mikrotubulová organizační centra (MTOC). V MTOC je obsažen další typ tubulinu, y-tubulin, který je odlišný od a- a beta-podjednotek samotných mikrotubulů. Y-tubulin se spojuje s několika dalšími asociovanými proteiny za vzniku struktury podobné zámkové podložce známé jako „y-tubulinový kruhový komplex“ (y-TuRC). Tento komplex působí jako templát pro dimery α/β-tubulinu pro zahájení polymerace; působí jako uzávěr konce ( -), zatímco růst mikrotubulů pokračuje směrem od MTOC ve směru (+).

Centrosome je primární MTOC většiny typů buněk. Mikrotubuly však lze nukleovat i z jiných míst. Například řasinky a bičíky mají na základně MTOC nazývané bazální těla . Práce ze skupiny Kaverina ve Vanderbilt, stejně jako další, navíc naznačují, že Golgiho aparát může sloužit jako důležitá platforma pro nukleaci mikrotubulů. Protože nukleace z centrosomu je ve své podstatě symetrická, může nukleace mikrotubulů asociovaná s Golgi umožnit buňce vytvořit asymetrii v síti mikrotubulů. V nedávných studiích identifikovala skupina Vale na UCSF proteinový komplex augmin jako kritický faktor pro generování mikrotubulů závislých na centrosomu. Bylo prokázáno, že interaguje s y-TuRC a zvyšuje hustotu mikrotubulů kolem mitotického vřetenového původu.

Některé typy buněk, jako jsou rostlinné buňky, neobsahují dobře definované MTOC. V těchto buňkách jsou mikrotubuly nukleovány z diskrétních míst v cytoplazmě. Jiné typy buněk, jako jsou trypanosomatidoví paraziti, mají MTOC, ale trvale se nachází na bázi bičíku. Zde nukleace mikrotubulů pro strukturální role a pro generování mitotického vřetene nepochází z kanonického MTOC podobného centriolu.

Polymerizace

Po počátečním nukleačním procesu musí být k rostoucímu polymeru přidány tubulinové monomery. Proces přidávání nebo odebírání monomerů závisí na koncentraci dimerů αβ-tubulinu v roztoku ve vztahu ke kritické koncentraci, což je koncentrace dimerů v ustáleném stavu, při které již na konci mikrotubulů nedochází k žádné čisté montáži ani demontáži . Pokud je koncentrace dimeru větší než kritická koncentrace, mikrotubule bude polymerizovat a růst. Pokud je koncentrace nižší než kritická koncentrace, délka mikrotubulu se zmenší.

Dynamika mikrotubulů

Dynamická nestabilita

Animace dynamické nestability mikrotubulů. Dimery tubulinu vázané na GTP (červené) se vážou na rostoucí konec mikrotubulů a následně hydrolyzují GTP na GDP (modré).

Dynamická nestabilita označuje koexistenci montáže a demontáže na koncích mikrotubulů. Mikrotubule může v této oblasti dynamicky přepínat mezi fázemi růstu a smršťování. Tubulinové dimery mohou vázat dvě molekuly GTP, z nichž jedna může být po sestavení hydrolyzována. Během polymerace jsou tubulinové dimery ve stavu vázaném na GTP . GTP vázaný na α-tubulin je stabilní a v tomto vázaném stavu hraje strukturální funkci. Nicméně GTP navázaný na β-tubulin může být hydrolyzován na HDP krátce po sestavení. Sestavovací vlastnosti GDP-tubulinu se liší od vlastností GTP-tubulinu, protože GDP-tubulin je náchylnější k depolymerizaci. Podjednotka tubulinu vázaná na HDP na špičce mikrotubulu bude mít tendenci odpadávat, i když tubulin vázaný na HDP uprostřed mikrotubulu nemůže z polymeru samovolně vyskočit. Protože se tubulin přidává na konec mikrotubulů ve stavu vázaném na GTP, navrhuje se, aby na špičce mikrotubulu existoval uzávěr tubulinu vázaného na GTP, který by jej chránil před rozebráním. Když hydrolýza dostihne až ke špičce mikrotubulů, začne rychlá depolymerizace a smršťování. Tento přechod od růstu ke zmenšování se nazývá katastrofa. GTP-vázaný tubulin se může znovu začít přidávat ke špičce mikrotubulů, poskytovat nové víčko a chránit mikrotubule před smrštěním. Tomu se říká „záchrana“.

Model „Hledej a zachyť“

V roce 1986 Marc Kirschner a Tim Mitchison navrhli, aby mikrotubuly využívaly své dynamické vlastnosti růstu a smršťování na svých plusových koncích k průzkumu trojrozměrného prostoru buňky. Plusové konce, které narazí na kinetochory nebo místa polarity, se zachytí a již nevykazují růst nebo smršťování. Na rozdíl od normálních dynamických mikrotubulů, které mají poločas rozpadu 5–10 minut, mohou zachycené mikrotubuly trvat hodiny. Tato myšlenka je běžně známá jako model „hledání a zachycení“. Práce od té doby tuto myšlenku do značné míry potvrdila. Na kinetochore byla ukázána řada komplexů pro zachycení (+)-konců mikrotubulů. Kromě toho byla také popsána (+)-koncová uzavírací aktivita pro mezifázové mikrotubuly. Tato pozdější aktivita je zprostředkována forminy , adenomatózním proteinem polyposis coli a EB1 , proteinem, který sleduje rostoucí plus konce mikrotubulů.

Regulace dynamiky mikrotubulů

Posttranslační úpravy

Obrázek fibroblastové buňky obsahující fluorescenčně značený aktin (červený) a mikrotubuly (zelený).

Ačkoli má většina mikrotubulů poločas rozpadu 5–10 minut, některé mikrotubuly mohou zůstat stabilní po celé hodiny. Tyto stabilizované mikrotubuly akumulují posttranslační modifikace na svých tubulinových podjednotkách působením enzymů vázaných na mikrotubuly. Jakmile však mikrotubule depolymerizuje, většina těchto modifikací je rychle zvrácena rozpustnými enzymy. Protože většina modifikačních reakcí je pomalá, zatímco jejich reverzní reakce jsou rychlé, je modifikovaný tubulin detekován pouze na stabilních mikrotubulech s dlouhou životností. Většina těchto modifikací se vyskytuje na C-koncové oblasti alfa-tubulinu. Tato oblast, která je bohatá na negativně nabitý glutamát, tvoří relativně nestrukturované ocasy, které vyčnívají z mikrotubulů a vytvářejí kontakty s motory. Předpokládá se tedy, že modifikace tubulinu regulují interakci motorů s mikrotubulem. Protože tyto stabilní modifikované mikrotubuly jsou typicky orientovány směrem k místu polarity buněk v mezifázových buňkách, poskytuje tato podskupina modifikovaných mikrotubulů specializovanou cestu, která pomáhá dodávat vezikuly do těchto polarizovaných zón. Tyto úpravy zahrnují:

  • Detyrosinace : odstranění C-koncového tyrosinu z alfa-tubulinu. Tato reakce vystavuje glutamát novému C-konci. V důsledku toho jsou mikrotubuly, které akumulují tuto modifikaci, často označovány jako Glu-mikrotubuly. Ačkoli tubulinkarboxypeptidáza musí být dosud identifikována, tubulin -tyrosin ligasa (TTL) je známá.
  • Delta2: odstranění posledních dvou zbytků z C-konce alfa-tubulinu. Na rozdíl od detyrosinace je tato reakce považována za nevratnou a byla dokumentována pouze v neuronech.
  • Acetylace : přidání acetylové skupiny k lysinu 40 alfa-tubulinu. K této modifikaci dochází na lysinu, který je přístupný pouze zevnitř mikrotubulů, a zůstává nejasné, jak se enzymy dostávají ke zbytku lysinu. Povaha tubulin acetyltransferázy zůstává kontroverzní, ale bylo zjištěno, že u savců je hlavní acetyltransferázou ATAT1 . je však známo, že reverzní reakce je katalyzována HDAC6 .
  • Polyglutamylace : přidání glutamátového polymeru (typicky 4-6 zbytků dlouhých) ke gama-karboxylové skupině kteréhokoli z pěti glutamátů nalezených blízko konce alfa-tubulinu. Enzymy související s TTL přidávají počáteční rozvětvený glutamát (TTL4,5 a 7), zatímco jiné enzymy, které patří do stejné rodiny, prodlužují polyglutamátový řetězec (TTL6,11 a 13).
  • Polyglycylace : přidání glycinového polymeru (2 až 10 zbytků dlouhého) ke gama-karboxylové skupině kteréhokoli z pěti glutamátů nalezených blízko konce beta-tubulinu. TTL3 a 8 přidávají počáteční rozvětvený glycin, zatímco TTL10 prodlužuje polyglycinový řetězec.

O tubulinu je také známo, že je fosforylován , ubikvitinován , sumoylován a palmitoylován .

Léky vázající tubulin a chemické účinky

Široká škála léčiv je schopna vázat se na tubulin a modifikovat jeho montážní vlastnosti. Tyto léky mohou mít účinek při intracelulárních koncentracích mnohem nižší než u tubulinu. Tato interference s dynamikou mikrotubulů může mít za následek zastavení buněčného buněčného cyklu a může vést k programované buněčné smrti nebo apoptóze . Existují však data, která naznačují, že interference dynamiky mikrotubulů není dostatečná k blokování buněk podstupujících mitózu. Tyto studie prokázaly, že k potlačení dynamiky dochází při koncentracích nižších, než jsou koncentrace potřebné k blokování mitózy. Bylo ukázáno, že potlačení dynamiky mikrotubulů mutacemi tubulinu nebo léčením lékem inhibuje migraci buněk. Jak stabilizátory mikrotubulů, tak destabilizátory mohou potlačit dynamiku mikrotubulů.

Mezi léky, které mohou měnit dynamiku mikrotubulů, patří:

  • Třída léčivých taxanů bojujících proti rakovině ( paklitaxel (taxol) a docetaxel ) blokuje dynamickou nestabilitu stabilizací tubulinu vázaného na HDP v mikrotubulu. I když tedy hydrolýza GTP dosáhne špičky mikrotubulů, nedojde k depolymerizaci a mikrotubule se nezmenší.

Taxany (samotné nebo v kombinaci s deriváty platiny (karboplatina) nebo gemcitabin) se používají proti malignitám prsu a gynekologii, spinocelulárním karcinomům (rakoviny hlavy a krku, některé rakoviny plic) atd.

  • Tyto epothilony , např ixabepilon , práce v podobné cestě k taxany.
  • Opačný účinek mají vinorelbin, nocodazol , vinkristin a kolchicin , které blokují polymeraci tubulinu na mikrotubuly.
  • Eribulin se váže na (+) rostoucí konec mikrotubulů. Eribulin uplatňuje své protirakovinné účinky spuštěním apoptózy rakovinných buněk po prodloužené a nevratné mitotické blokádě.

Bylo popsáno, že exprese beta-tubulinu mění buněčné reakce na lékem indukované potlačení dynamiky mikrotubulů. Obecně je dynamika obvykle potlačena nízkými subtoxickými koncentracemi mikrotubulárních léčiv, která také inhibují migraci buněk. Začlenění β3-tubulinu do mikrotubulů však zvyšuje koncentraci léčiva, která je potřebná k potlačení dynamiky a inhibici migrace buněk. Nádory, které exprimují p3-tubulin, jsou tedy nejen odolné vůči cytotoxickým účinkům léků cílených na mikrotubuly, ale také vůči jejich schopnosti potlačovat nádorové metastázy. Exprese p3-tubulinu navíc působí proti schopnosti těchto léčiv inhibovat angiogenezi, což je normálně další důležitý aspekt jejich působení.

Polymery mikrotubulů jsou extrémně citlivé na různé vlivy prostředí. Velmi nízké hladiny volného vápníku mohou destabilizovat mikrotubuly a to znemožnilo raným vědcům studovat polymer in vitro. Nízké teploty také způsobují rychlou depolymerizaci mikrotubulů. Naproti tomu těžká voda podporuje stabilitu polymeru mikrotubulů.

Proteiny, které interagují s mikrotubuly

Proteiny spojené s mikrotubuly (MAP)

Bylo ukázáno, že MAP hrají zásadní roli v regulaci dynamiky mikrotubulů in-vivo . Rychlost polymerace, depolymerizace a katastrofy mikrotubulů se liší v závislosti na tom, jaké proteiny spojené s mikrotubuly jsou (MAP). Původně identifikované MAP z mozkové tkáně lze rozdělit do dvou skupin na základě jejich molekulové hmotnosti. Tato první třída obsahuje MAP s molekulovou hmotností nižší než 55-62 kDa a jsou nazývány proteiny τ (tau) . In vitro bylo prokázáno, že tau proteiny přímo vážou mikrotubuly, podporují nukleaci a zabraňují rozebírání a indukují tvorbu paralelních polí. Kromě toho bylo také ukázáno, že tau proteiny stabilizují mikrotubuly v axonech a podílejí se na Alzheimerově chorobě. Druhá třída je složena z MAP s molekulovou hmotností 200-1000 kDa, z nichž jsou známy čtyři typy: MAP-1, MAP-2 , MAP-3 a MAP-4 . Proteiny MAP-1 se skládají ze sady tří různých proteinů: A , B a C. Protein C hraje důležitou roli v retrográdním transportu vezikul a je také známý jako cytoplazmatický dynein . Proteiny MAP-2 jsou umístěny v dendritech a v těle neuronů, kde se vážou s jinými cytoskeletálními vlákny. Proteiny MAP-4 se nacházejí ve většině buněk a stabilizují mikrotubuly. Kromě MAP, které mají stabilizační účinek na strukturu mikrotubulů, mohou mít další MAP destabilizační účinek buď štěpením, nebo indukcí depolymerizace mikrotubulů. Byly pozorovány tři proteiny nazývané katanin , spastin a fidgetin , které regulují počet a délku mikrotubulů prostřednictvím svých destabilizačních aktivit. Kromě toho se předpokládá, že KIAA1211L bude lokalizován v mikrotubulech.

Plus-end sledovací proteiny (+TIP)

Plus end tracking proteiny jsou MAP proteiny, které se vážou na špičky rostoucích mikrotubulů a hrají důležitou roli v regulaci dynamiky mikrotubulů. Bylo například pozorováno, že +TIP se účastní interakcí mikrotubulů s chromozomy během mitózy. První MAP, který byl identifikován jako +TIP, byl CLIP170 (cytoplazmatický linkerový protein), u kterého bylo prokázáno, že hraje roli při záchranných akcích depolymerizace mikrotubulů. Mezi další příklady +TIP patří EB1 , EB2 , EB3 , p150Glued , Dynamitin , Lis1 , CLIP115 , CLASP1 a CLASP2 .

Motorické proteiny

Cytoplazmatický dyneinový motor vázaný na mikrotubule.
Molekula kinesinu vázaná na mikrotubule.

Mikrotubuly mohou působit jako substráty pro motorické proteiny, které se podílejí na důležitých buněčných funkcích, jako je transport vezikul a dělení buněk. Na rozdíl od jiných proteinů spojených s mikrotubuly, motorové proteiny využívají energii z hydrolýzy ATP k generování mechanické práce, která pohybuje proteinem po substrátu. Hlavní motorické proteiny, které interagují s mikrotubuly, jsou kinesin , který se obvykle pohybuje směrem k (+) konci mikrotubulů, a dynein , který se pohybuje směrem k ( -) konci.

  • Dynein se skládá ze dvou identických těžkých řetězců, které tvoří dvě velké globulární hlavové domény, a variabilního počtu intermediárních a lehkých řetězců. Transport zprostředkovaný dyneinem probíhá od (+) konce směrem k (-) konci mikrotubulů. Hydrolýza ATP se vyskytuje v globulárních hlavových doménách, které sdílejí podobnosti s rodinou proteinů AAA+ (ATPáza spojená s různými buněčnými aktivitami). Hydrolýza ATP v těchto doménách je spojena s pohybem podél mikrotubulů prostřednictvím domén vázajících mikrotubuly. Dynein transportuje vezikuly a organely skrz cytoplazmu. Za tímto účelem molekuly dyneinu vážou membrány organel prostřednictvím proteinového komplexu, který obsahuje řadu prvků včetně dynactinu .
  • Kinesin má podobnou strukturu jako dynein. Kinesin se podílí na transportu různých intracelulárních nákladů, včetně vezikul, organel, proteinových komplexů a mRNA ke konci (+) mikrotubulů.

Některé viry (včetně retrovirů , herpesvirů , parvovirů a adenovirů ), které vyžadují přístup k jádru za účelem replikace svých genomů, se připojují k motorickým proteinům .

Mitóza

Centrosomy

3D diagram centrioly. Každý kruh představuje jedno mikrotubule. Celkem je 27 mikrotubulů uspořádáno do 9 svazků po 3.

Centrosome je hlavní MTOC ( mikrotubuly organizační centrum ) buňky v průběhu mitózy. Každý centrosom se skládá ze dvou válců nazývaných centrioly , které jsou navzájem orientovány v pravém úhlu. Centriola je vytvořena z 9 hlavních mikrotubulů, z nichž každý má dva dílčí mikrotubuly k němu připojené. Každé centriole je přibližně 400 nm dlouhé a kolem 200 nm v obvodu.

Centrosom je pro mitózu rozhodující, protože většina mikrotubulů zapojených do procesu pochází z centrosomu. Mínusové konce každého mikrotubulu začínají na centrosomu, zatímco plusové konce vyzařují ve všech směrech. Centrosom je tedy také důležitý při udržování polarity mikrotubulů během mitózy.

Většina buněk má po většinu svého buněčného cyklu pouze jeden centrosom, avšak těsně před mitózou se centrosom duplikuje a buňka obsahuje dva centrosomy. Některé z mikrotubulů, které vyzařují z centrosomu, rostou přímo od sesterského centrosomu. Tyto mikrotubuly se nazývají astrální mikrotubuly. Pomocí těchto astrálních mikrotubulů se centrosomy od sebe vzdálí směrem k opačným stranám buňky. Jakmile se tam objeví, mohou se začít vytvářet další typy mikrotubulů nezbytných pro mitózu, včetně interpolárních mikrotubulů a K-vláken.

Poslední důležitou poznámkou o centrosomech a mikrotubulech během mitózy je, že zatímco centrosom je MTOC pro mikrotubuly nezbytné pro mitózu, výzkum ukázal, že jakmile jsou vytvořeny samotné mikrotubuly a na správném místě nejsou pro mitózu potřebné samotné centrosomy nastat.

Mikrotubulové podtřídy

Tento diagram zobrazuje organizaci typického mitotického vřetene nalezeného v živočišných buňkách. Zde jsou uvedeny tři hlavní typy mikrotubulů během mitózy a jejich orientace v buňce a mitotickém vřetenu.

Astrální mikrotubuly jsou podtřídou mikrotubulů, které existují pouze během mitózy a kolem ní. Pocházejí z centrosomu, ale neinteragují s chromozomy, kinetochory ani s mikrotubuly pocházejícími z druhého centrosomu. Místo toho jejich mikrotubuly vyzařují směrem k buněčné membráně. Jakmile jsou tam, interagují se specifickými motorickými proteiny, které vytvářejí sílu, která táhne mikrotubuly, a tím i celý centrosom směrem k buněčné membráně. Jak je uvedeno výše, pomáhá to centrosomům v buňce se od sebe vzdálit. Tyto astrální mikrotubuly však neinteragují se samotným mitotickým vřetenem. Experimenty ukázaly, že bez těchto astrálních mikrotubulů může vzniknout mitotické vřeteno, nicméně jeho orientace v buňce není vždy správná a mitóza se tak efektivně nevyskytuje. Další klíčovou funkcí astrálních mikrotubulů je pomoc při cytokinezi. Astrální mikrotubuly interagují s motorickými proteiny na buněčné membráně, aby po replikaci chromozomů od sebe oddělily vřeteno a celou buňku.

Interpolární/polární mikrotubuly jsou třídou mikrotubulů, které také během mitózy vyzařují z centrosomu. Tyto mikrotubuly vyzařují směrem k mitotickému vřetenu, na rozdíl od astrálních mikrotubulů. Interpolární mikrotubuly jsou nejhojnější a dynamickou podtřídou mikrotubulů během mitózy. Přibližně 95 procent mikrotubulů v mitotickém vřetenu lze charakterizovat jako interpolární. Kromě toho je poločas těchto mikrotubulů extrémně krátký, protože je kratší než jedna minuta. Interpolární mikrotubuly, které se nepřipojí ke kinetochorám, mohou pomoci při kongregaci chromozomů prostřednictvím laterální interakce s kinetochory.

K vlákna/mikrotubuly Kinetochore jsou třetí důležitou podtřídou mitotických mikrotubulů. Tyto mikrotubuly tvoří přímé spojení s kinetochory v mitotickém vřetenu. Každé vlákno K se skládá z 20–40 paralelních mikrotubulů, tvořících silnou trubici, která je na jednom konci připojena k centrosomu a na druhém ke kinetochore, umístěnému ve středu každého chromozomu. Vzhledem k tomu, že každý centrosom má vlákno K spojující se s každým párem chromozomů, chromozomy se uvázají ve středu mitotického vřetena K vlákny. K vlákna mají mnohem delší poločas rozpadu než interpolární mikrotubuly, mezi 4 a 8 minutami. Během konce mitóz se mikrotubuly tvořící každé K vlákno začínají disociovat, čímž se zkracují K vlákna. Když se vlákna K zkracují, pár chromozomů se oddělí těsně před cytokinezí. Dříve někteří vědci věřili, že vlákna K se tvoří na jejich mínusovém konci pocházejícím z centrosomu stejně jako jiné mikrotubuly, nicméně nový výzkum poukázal na jiný mechanismus. V tomto novém mechanismu jsou K vlákna zpočátku stabilizována na svém plusovém konci kinetochory a odtud vyrůstají. Mínusový konec těchto K vláken se nakonec připojí ke stávajícímu interpolárnímu mikrotubulu a nakonec se tímto způsobem připojí k centrosomu.

Mikrotubulová jádra v mitotickém vřetenu

Většina mikrotubulů, které tvoří mitotické vřeteno, pochází z centrosomu. Původně se předpokládalo, že všechny tyto mikrotubuly pocházejí z centrosomu metodou zvanou vyhledávání a zachycení, popsanou podrobněji v části výše, nicméně nový výzkum ukázal, že existují způsoby přidávání nukleace mikrotubulů během mitózy. Jedním z nejdůležitějších z těchto dalších prostředků nukleace mikrotubulů je dráha RAN-GTP. RAN-GTP se během mitózy spojuje s chromatinem a vytváří gradient, který umožňuje lokální nukleaci mikrotubulů v blízkosti chromozomů. Kromě toho druhá cesta známá jako komplex augmin/HAUS (některé organismy používají více studovaný komplex augminů, zatímco jiní, jako lidé používají analogický komplex nazývaný HAUS), působí jako další prostředek nukleace mikrotubulů v mitotickém vřetenu.

Funkce

Migrace buněk

Konce mikrotubulů plus jsou často lokalizovány do konkrétních struktur. V polarizovaných mezifázových buňkách jsou mikrotubuly nepřiměřeně orientovány z MTOC směrem k místu polarity, jako je přední hrana migrujících fibroblastů . Předpokládá se, že tato konfigurace pomáhá dodávat vezikuly vázané na mikrotubuly z Golgiho do místa polarity.

Dynamická nestabilita mikrotubulů je také nutná pro migraci většiny savčích buněk, které lezou. Dynamické mikrotubuly regulují hladiny klíčových G-proteinů, jako jsou RhoA a Rac1 , které regulují kontraktilitu a šíření buněk. Dynamické mikrotubuly jsou také nutné k zahájení demontáže fokální adheze , která je nezbytná pro migraci. Bylo zjištěno, že mikrotubuly působí jako „vzpěry“, které působí proti kontraktilním silám, které jsou potřebné pro zatažení zadní hrany během pohybu buňky. Když jsou mikrotubuly na odtokové hraně buňky dynamické, jsou schopny předělat, aby umožnily zatažení. Když je dynamika potlačena, mikrotubuly se nemohou přestavět, a jsou tedy proti kontrakčním silám. Morfologie buněk s potlačenou dynamikou mikrotubulů naznačuje, že buňky mohou prodloužit přední hranu (polarizovanou ve směru pohybu), ale mají potíže se zatažením jejich zadní hrany. Na druhé straně vysoké koncentrace léčiva nebo mutace mikrotubulů, které depolymerizují mikrotubuly, mohou obnovit migraci buněk, ale dochází ke ztrátě směrovosti. Lze uzavřít, že mikrotubuly působí jak pro omezení pohybu buněk, tak pro stanovení směrovosti

Cilia a bičíky

Mikrotubuly mají hlavní strukturální roli v eukaryotických řasách a bičících . Cilia a flagella vždy vycházejí přímo z MTOC, v tomto případě nazývaného bazální tělo. Působení motorových proteinů dyneinu na různá vlákna mikrotubulů, která probíhají podél řasinky nebo bičíku, umožňuje organele ohýbat se a vytvářet sílu pro plavání, pohyb extracelulárního materiálu a další role. Prokaryoty mají proteiny podobné tubulinu včetně FtsZ. Prokaryotické bičíky jsou však strukturou zcela odlišné od eukaryotických bičíků a neobsahují struktury na bázi mikrotubulů.

Rozvoj

Cytoskelet tvořen microtubules je zásadní pro morfogenetické procesu z organismu vývoje . Například, je požadována síť polarizovaného mikrotubulů do oocytu z Drosophila melanogaster během jeho embryogeneze , aby se vytvořil osu vejce. Signály vysílané mezi folikulárními buňkami a oocytem (jako jsou faktory podobné epidermálnímu růstovému faktoru ) způsobují reorganizaci mikrotubulů tak, že jejich (-) konce jsou umístěny ve spodní části oocytu, polarizují strukturu a vedou ke vzniku přední a zadní osy. Toto zapojení do architektury těla je také pozorováno u savců .

Další oblastí, kde jsou mikrotubuly zásadní, je vývoj nervového systému u vyšších obratlovců , kde je dynamika tubulinu a dynamika souvisejících proteinů (jako jsou proteiny asociované s mikrotubuly) během vývoje nervového systému jemně kontrolována .

Genová regulace

Buněčný cytoskelet je dynamický systém, který funguje na mnoha různých úrovních: Kromě toho, že dává buňce určitou formu a podporuje transport vezikul a organel, může také ovlivnit genovou expresi . Mechanismy přenosu signálu zahrnuté v této komunikaci jsou málo pochopeny. Byl však popsán vztah mezi léčivem zprostředkovanou depolymerizací mikrotubulů a specifickou expresí transkripčních faktorů , která poskytla informace o diferenciální expresi genů v závislosti na přítomnosti těchto faktorů. Tato komunikace mezi cytoskeletem a regulací buněčné odpovědi také souvisí s působením růstových faktorů : například tento vztah existuje pro růstový faktor pojivové tkáně .

Viz také

Reference

externí odkazy