|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
Дана новая информация о механизме полимеризации актина, лежащей в основе многих проявлений биологической подвижности. Рассмотрен путь передачи внеклеточного сигнала на полимеризующийся актин, включающий G-белки, WASP и Arp2/3-комплекс. Приведены примеры эксплуатации подвижными патогенными бактериями механизма полимеризации актина в клетках хозяина.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДВИЖНОСТЬИ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ АКТИНА
Н. Л. КЛЯЧКО
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
ВВЕДЕНИЕ
Полимеризация актина важна для многих процессов в клетке, она подвержена строгой пространственной и временной регуляции. Актиновые микрофиламенты вместе с микротрубочками и промежуточными филаментами образуют динамичную сеть в цитоплазме клеток, так называемый цитоскелет, который не только определяет форму клетки и пространственную организацию ее компонентов, но и лежит в основе разнообразных типов внутриклеточной и клеточной подвижности.
Из статей, опубликованных ранее в "Соросовском Образовательном Журнале", можно узнать об общей организации цитоскелета, его составе, основных формах движения клеток животных и работе молекулярных моторов, то есть молекул, умеющих превращать химическую энергию гидролиза АТФ в механическую работу при сокращении мышц, перемещении органелл и т.п. [1-3]. Одним из примеров такого моторного белка, участвующего в движении по нитям полимерного актина, является миозин. Взаимодействие актина и миозина приводит к сокращению мышц. Оно также лежит в основе перемещения органелл и молекул вдоль нитей актина, который в данном случае играет роль рельсов для перемещения, в то время как моторный белок служит паровозом.
Однако некоторые формы движения осуществляются без участия специализированных моторов: они основаны на процессе полимеризации актина. Само по себе быстрое удлинение нитей актина приводит к возникновению движущей силы в направлении роста этих нитей. Быстрая полимеризация актина происходит, например, при перемещении клеток фибробластов и некоторых низших грибов с помощью специализированных выростов - псевдоподий в сторону привлекательного для них сигнала или в направлении от отталкивающего сигнала (положительный и отрицательный таксис).
До недавнего времени механизм быстрой локальной полимеризации актина в клетках оставался неясным. Еще не так давно Ю.М. Васильев писал о полимеризации актина в местах выбрасывания псевдоподий подвижными клетками животных: "Вероятно, под мембраной в этих местах концентрируются какие-то белки, вызывающие полимеризацию новых микрофиламентов, но пока природу этих белков мы еще точно не знаем" [1, с. 39]. В последние годы сделано несколько открытий, позволивших узнать больше о таких белках и заполнить брешь в цепи событий, происходящих на пути от внеклеточного сигнала до конечного результата, а именно движения. Описанию этих новых фактов и посвящена данная статья.
НОВОЕ О ПОЛИМЕРИЗАЦИИ АКТИНА
Актин: мономеры и полимеры
Актин присутствует в клетке как в форме мономерного белка с молекулярным весом 42 кД, так и в виде длинных нитей и их пучков, связанных с другими элементами цитоскелета и мембранами. Мономеры актина имеют грушевидную форму, и при их полимеризации возникает спирально закрученная полярная нить с различающимися концами: заостренным (минус) и оперенным (плюс) концом (рис. 1). Такие названия появились в связи с тем, что при взаимодействии актиновых нитей с фрагментами молекулы моторного белка миозина образуется комплекс, имеющий под электронным микроскопом стреловидную форму. При этом острие стрелы указывает на заостренный конец, а ее оперение обращено в сторону противоположного конца филамента.
Полимеризация актина происходит в две стадии. Первая стадия носит название "нуклеация", то есть создание ядра (nucleus) или затравки из первых трех мономеров актина. Димер (комплекс двух мономеров) является нестабильной структурой и легко разрушается. Именно нуклеация определяет общую скорость полимеризации. Вторая стадия, удлинение нити, протекает легче, с большей скоростью.
В пробирке мономерный актин может присоединяться и диссоциировать с обоих концов нити, но присоединение происходит быстрее к плюс-концу. Процесс непрерывного присоединения мономеров к оперенному (плюс) концу и их диссоциации с заостренного (минус) конца, то есть непрерывный круговорот мономеров (от англ. treadmilling - бесконечная, монотонная механическая работа) (см. рис. 1).
В живой клетке процесс полимеризации актина может быть не похож на treadmilling, то есть на круговорот мономеров в пробирке, поскольку полярные концы актинового филамента могут быть несвободными. В клетке присутствуют десятки так называемых актинсвязывающихся белков, которые сильно влияют на процесс полимеризации актина. Некоторые из них могут блокировать активно растущий оперенный плюс-конец, так называемые кэп-белки (от англ. cap - шапочка), прекращая таким образом полимеризацию уже существующих нитей и освобождая мономерный актин для построения новых нитей. Другие белки могут разрезать нити актина, формируя тем самым новые фрагменты с заостренными и оперенными концами. Существуют белки, связывающие мономеры актина и таким образом делающие их недоступными для полимеризации (например, профилин), белки, деполимеризующие актин, и т.п.
Комплекс Аrp2/3
Актин - крайне консервативный белок, состоящий практически из одинаковых аминокислот у всех исследованных организмов. Однако помимо такого консервативного классического актина в клетках имеется много так называемых актиноподобных белков (actin-related proteins, Аrp), гомология которых с актином составляет всего от 30 до 60%. Различают несколько подсемейств таких белков: Аrp1, Аrp2, Аrp3 и др. Области гомологии этих белков с актином расположены главным образом в центральной части белковой глобулы. Поэтому долгое время считали, что эти белки неспособны к полимеризации, а также и совместной полимеризации с актином. Однако в последнее время становится ясно, что такое утверждение не вполне верно. Так, было обнаружено, что Аrp1 (центрактин) может полимеризоваться вместе с актином в составе так называемого динактинового комплекса, участвующего в перемещении органелл по микротрубочкам. Аrp2 и Аrp3 поодиночке действительно не взаимодействуют с актином. Однако недавно было показано, что эти два белка входят в состав так называемого Arp2/3-комплекса, содержащего помимо Аrp2 и Аrp3 белков еще пять или шесть (в зависимости от организма) субъединиц, не имеющих гомологии ни с одним из белков в компьютерных базах данных (рис. 2, а). Этот сложно устроенный комплекс был впервые выделен из амебы Acanthamoeba castellanii. Впоследствии было показано, что Arp2/3-комплекс очень консервативен и присутствует у всех исследованных эукариотных организмов от дрожжей до человека (для растений таких данных пока нет). В живых клетках этот комплекс накапливается в местах, где происходит быстрая полимеризация актина, например в разного рода псевдоподиях, в кортикальном слое цитоплазмы у дрожжей, в хвосте подвижных патогенных бактерий.
Оказалось, что Arp2/3-комплекс имеет повышенное сродство к минус-концам актиновых филаментов, а именно гетеродимер Arp2-Arp3 может служить матрицей, на которой происходит образование новых актиновых нитей (нуклеация) (рис. 2, а). Кроме того, комплекс может присоединяться к боковым сторонам нитей и таким образом обеспечивать их ветвление (рис. 2, б ). Интересно, что боковые нити актина отходят от основной нити строго под углом 70?, образуя жесткую сеть. Быстро растущие плюс-концы нитей актина обращены в сторону периферии клеток, например к мембране псевдоподия (рис. 2, б ). При этом создается движущая сила, толкающая мембрану вперед, в направлении перемещения клетки.
Концентрация Arp2/3-комплекса в клетках в 40-100 раз меньше, чем концентрация мономеров актина, но она достаточно велика, чтобы заблокировать все заостренные концы нитей, например у Acanthamoeba. Это, конечно, не означает, что treadmilling (круговорот мономеров) актина никогда не происходит в живых клетках. Напомним, во-первых, что комплекс характерен не для всех субпопуляций актина, и, во-вторых, возможно, что при определенных физиологических условиях он может диссоциировать от актиновых полимеров.
Сродство Arp2/3-комплекса к актину не слишком велико, и он ускоряет полимеризацию актина всего в 2-3 раза. Оказывается, для более эффективного функционирования сам комплекс должен быть активирован. Роль активаторов комплекса играют другие белки.
Движение патогенной бактерии Listeria
Первый белок, играющий роль активатора Arp2/3-комплекса, был обнаружен у патогенной бактерии Listeria monocytogenes, которая может вызывать опасные для жизни человека заболевания, такие, как энцефалит. Эта бактерия способна с большой скоростью перемещаться в цитоплазме клеток хозяина. Однако она не имеет жгутиков, и в ее клетке, как и у других прокариот, нет собственного актинового цитоскелета. Эта бактерия-паразит приспособилась использовать для перемещения актин эукариотной клетки, в которой она живет. L. monocytogenes научилась быстро полимеризовать актин хозяина вблизи одного из своих полюсов. В результате в ее кильватере образуется "хвост кометы" из непрерывно полимеризующегося актина, что и создает движущуюся силу для перемещения бактерии (рис. 3, вставка).
Оказалось, что на поверхности этой бактерии вблизи одного из ее полюсов имеется белок ActA, который умеет присоединять и активировать Arp2/3-комплекс и как следствие - во много раз ускорять полимеризацию актина. Пространственно процесс ограничен областью вблизи поверхности бактерии. Это достигается совместным действием многих актинсвязывающих белков, которые блокируют концы растущих филаментов актина, обеспечивают их ветвление, деполимеризацию и т.д. Растущие нити актина, по-видимому, направлены быстро растущими оперенными плюс-концами в сторону движения бактерии (точно так же, как это происходит при образовании псевдоподий в клетках эукариот) и толкают бактерию вперед.
Недавно M.-F. Carlier и ее сотрудники воссоздали процесс движения бактерии в системе in vitro, состоящей только из очищенных цитоскелетных белков. Ученые также определили степень необходимости каждого из белков - участников этого процесса. Помимо актина для моделирования процесса движения оказались необходимы всего три компонента: Arp2/3-комплекс, актиндеполимеризующий фактор и кэп-белки. Еще три белка были полезны, но необязательны для поддержания движения. Скорость движения бактерий составила 2-4 мкм/мин, то есть была не намного меньше, чем в клеточных экстрактах.
Таким образом, на предметном стекле был воспроизведен процесс движения патогенной бактерии Listeria и изучен его молекулярный механизм. Показано, что бактерия использует для передвижения полимеризацию актина цитоплазмы клетки-хозяина, активируя его с помощью собственного мембранного белка ActA.
РЕГУЛЯЦИЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ АКТИНА
В КЛЕТКАХ ЭУКАРИОТ
Если полимеризация актина вблизи поверхности патогенной бактерии происходит конститутивно (без внешнего сигнала), то в подвижных клетках эукариот (например, в псевдоподиях фибробластов) или в зонах внутриклеточной подвижности, основанной на полимеризации актина, перестройка актинового цитоскелета обычно происходит в ответ на внеклеточный сигнал (свет, химический стимул). Уже давно известны начальные и конечные звенья в передаче этого сигнала. Внеклеточный сигнал воспринимается мембранным рецепторным белком и затем передается на так называемые G-белки, небольшие белки, способные связывать ГТФ, изменять свою конформацию и благодаря этому передавать сигналы на другую белковую молекулу. Гидролиз ГТФ до ГДФ G-белком возвращает его в неактивную конформацию. Некоторые такие G-белки (Rho, Rac и Cdc42) в итоге передают сигнал на актиновый цитоскелет, что приводит к быстрой полимеризации актина в зонах образования ламеллоподий и филоподий (разные типы псевдоподий) или волокон натяжения, пересекающих клетку пучков актиновых нитей. Промежуточные звенья в этой системе передачи сигнала до недавнего времени не были выяснены. Теперь стало очевидным, что полимеризации актина предшествует взаимодействие его мономеров с Arp2/3-комплексом, который затем должен быть активирован какими-то белками по аналогии с ActA-белком Listeria. Начались поиски таких белков в клетках животных и дрожжей, которые вскоре увенчались успехом. Было найдено несколько гомологичных белков. Первый из открытых белков получил название WASP, поскольку был найден у больных Wiscott-Aldrich-синдромом - наследуемой болезнью человека. Для этих белков характерно сложное доменное строение: они содержат домены связывания с белками и другими регуляторными молекулами (рис. 4, а). Показано, что эти белки, в частности, могут связывать Arp2/3-комплекс, мономерный актин, профилин, G-белки, сигнальную молекулу - фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат. Функциональное назначение разных доменов различно. Так, на С-конце WASP-белка рядом расположены домены связывания мономерного актина и Arp2/3-комплекса. Это обеспечивает их пространственное сближение и может облегчать процесс полимеризации актина. На N-конце WASP-белка расположены домены связывания G-белков и других сигнальных молекул. Благодаря этому WASP и его аналоги могут служить посредниками при действии многих факторов и участвовать в передаче сигнала (на участке между G-белками и Arp2/3-комплексом), активирующего полимеризацию актина.
Сами белки семейства WASP, по-видимому, в свою очередь, нуждаются в активации. Так, было показано, что С-концевые фрагменты этих белков более активны в стимуляции полимеризации актина, чем целые белки. Это может означать, что белки из семейства WASP могут существовать в клетке в неактивной конформации (рис. 4, б ) и только взаимодействие сигнальных молекул (G-белки, фосфоинозитолфосфатиды) с N-концевой частью этих белков переводит их в активную конформацию.
Итак, WASP-белки и Arp2/3-комплекс составляют те центральные звенья в цепи передачи внеклеточного сигнала, вызывающего полимеризацию актина, которые до недавнего времени были белыми пятнами в наших знаниях (рис. 5). Любопытно, что, если патогенная бактерия Listeria, о которой шла речь выше, сама синтезирует мембранный белок ActA (гомолог WASP), активирующий Arp2/3-комплекс эукариотной клетки, другая патогенная бактерия, возбудитель дизентерии Shigella flexneri, продвинулась еще дальше в степени эксплуатации механизма полимеризации актина клетки хозяина: ее мембрана содержит белок, который умеет присоединять WASP-белок хозяина (а не имитировать его активность), вклиниваясь в сигнальную цепь хозяина и активируя Arp2/3-комплекс с помощью Cdc42 (G-белок). Более того, если покрыть WASP-белком микроскопические стеклянные бусинки, то они тоже сумеют собирать актин вблизи своей поверхности и перемещаться в клеточных экстрактах без участия каких-либо моторных белков, только благодаря полимеризации актина.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для выполнения актиновым цитоскелетом множества функций в клетке необходимо, чтобы сборка и организация актиновых нитей происходили в нужное время и в нужном месте. В последние десять лет шли интенсивные исследования с использованием генетических, биохимических и цитологических подходов для выяснения путей передачи внеклеточного сигнала к местам активной полимеризации актина. За это время был открыт Arp2/3-комплекс, служащий матрицей для нуклеации нитей актина и обнаружено несколько белков, регулирующих его активность. В последние годы было предпринято много усилий, чтобы понять механизм, с помощью которого G-белки семейства Rho регулируют состояние актинового цитоскелета, и практически заполнена брешь в цепи передачи внеклеточного сигнала на цитоскелет с участием G-белков. Важные для расшифровки этого пути передачи сигнала уроки были извлечены из изучения подвижности патогенных бактерий внутри эукариотической клетки и воспроизведения этого движения в модельных системах. Очевидно, что новые детали пространственной и временной регуляции сборки и организации актинового цитоскелета будут выяснены в последующие годы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. 1. Живые нити // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. ╧ 2. С. 36-43.
2. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. 2. Цитоскелет способный чувствовать и помнить // Там же. ╧ 4. С. 4-10.
3. Тихонов А.Н. Молекулярные моторы. 2. Молекулярные основы биологической подвижности // Там же. 1999. ╧ 6. С. 17-24.
4. Welch M.D. The World According to Arp: Regulation of Actin Nucleation by the Arp2/3 Complex // Trends Cell Biol. 1999. Vol. 9. P. 423-427.
5. Machesky L.M., Cooper J.A. Bare Bones of the Cytoskeleton // Nature. 1999. Vol. 401. P. 542-543.
Рецензент статьи О.Н. Кулаева
* * *
Нелла Леопольдовна Клячко, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Область научных интересов - пространственная организация белоксинтезирующего аппарата и его взаимодействие с цитоскелетом растительной клетки. Автор более 80 научных публикаций.
