Розділ присвячений вивченню скелета клітини - цитоскелету

Мікротрубочки

Параметри мікротрубочок

Час напівжиття мікротрубочки ~5 хв, під час першої половини мітозу ~15c
Діаметр мікротрубочки 25нм.

Освіта мікротрубочок

Структурною одиницею мікротрубочки є гетеродимер білка тубуліна, що складається з α- і β-субодиниць (53 і 55 кДа), що не прибувають окремо, схожі, але не ідентичні. Кожна субодиниця має сайт для зв'язування нуклеотиду. α-тубулін зв'язує молекулу GTP, яка не гідролізується, β-тубулін може зв'язувати GDP або GTP (рис.1). β-тубулін одного гетеродимеру зв'язує GTP та з'єднується з α-тубуліном іншого гетеродимеру, при цьому GTP гідролізується до GDP. α-тубулін є GTP-активуючим білком і каталізує гідроліз GTP β-тубуліну (рис.2). Таким чином, гетеродимери утворюють лінійні ланцюжки – протофіламенти, 13 протофіламентів утворюють спіральний циклічний комплекс, такі кільця полімеризуються в трубку (рис.3). Фосфорилювання тубуліна посилює полімеризацію.

Рис.1 Гетеродимер тубуліна. α-тубулін (син.) із сайтом зв'язування GTP (голуб.). β-тубулін (зел.) з сайтами зв'язування GTP та GDP (червоний)
Мікротрубочки - динамічні полярні стр-ри. (+)-кінець динамічно нестабільний (β-тубулін) та (-)-кінець стабілізується, зв'язуючись з центром організації мікротрубочок (див. огляд Центросома).
Тредмілінг - рух мікротрубочок в результаті одночасного нарощування одного кінця та дисоціації іншого кінця мікротрубочок.
ДНК тубуліна в нуклеотид-зв'язуючому домені має висококонсервативну послідовність GGGTG(T/S)G.
Бактеріальний білок FtsZ - гомолог тубуліна є компонентом бактеріального цитоскелета і полімеризується з утворенням мікротрубочок.

Мікротрубочки

рис.2 Мікротрубочки здатні утворювати синглет, дублет і триплет.
A мікротрубочка дублету або триплету складається з 13 протофіламентів.
Трубочки B і C складаються з меншої кількості протофіламентів, зазвичай 10.

Білки, що з'єднуються з мікротрубочками.

З мікротрубочками асоціюють два види білків: структурні
білки (MAP-microtubuls-associated proteins) та білки транслокатори.

Приєднання MAP регулюється фосфорилюванням, в результаті
якого деякі MAP від'єднуються від мікротрубочок.

+TIPS- білки, що взаємодіють з (+)-кінцем
мікротрубочки, багато з яких є моторними білками,
інші забезпечують взаємодію з мікрофіламентами в
клітинному кортексі, приєднуючи мікротрубочки до плазматичної
мембрані. Деякі +TIPS регулюють динаміку мікротрубочок
і стабільність (+)-кінця, наприклад, XMAP215
сімейство білків стабілізує (+)-кінець запобігаючи руйнуванню
та забезпечуючи зростання мікротрубочок.

CLASP- білки, що забезпечують приєднання
димерів тубуліна до (+)-кінця та інгібують катастрофини.
Вони взаємодіють з кінетохором - комплексом, який з'єднує
(+)-кінець мікротрубочки з хромосомою.

Катастрофіни - +TIP білки, що зв'язуються з (+)-кінцем мікротрубочок
та які забезпечують дисоціацію димерів тубуліна. Вони здатні
активувати гідроліз GTP або зміну конформації протофіломентів
(MCAK- кінезин, що знаходиться в кінетохорі
та забезпечує дисоціацію (+)-кінця під час анафази мітозу).

Стасмін- дестабілізуючий білок, що знаходиться
у ракових клітинах. Приєднується з тубуліновим гетеродимером
ускладнюючи їхню полімеризацію. Стасміни пригнічуються фосфорилюванням.

Катанін - розділяє мікротрубочки утворюючи новий нестабільний
(+)-кінець.

Деякі MAP з'єднують мікротрубочки
один з одним, з мембраною чи проміжними філаментами.

Тип I MAP виявлений в аксонах та дендритах нервових клітин
та деяких інших має кілька повторів KKEX (Lys-Lys-Glu-X)
які пов'язують (-)-заряджені ділянки тубуліна.

Тип II MAP також виявлено в аксонах і нервових дендритах
клітин та деяких інших. Вони мають 3-4 повтори з 18 залишків
послідовності, що приєднує тубулін.

Білки взаємодіють з (+)-кінцем мікротрубочок

APC, Kar9 ( Sc)*

APC (adenomatous polyposis coli) - пухлинний супресор,
є основою для білкового комплексу, що регулює
фосфорилювання b-катенінів.

EB1, Bim1(Sc) , Mal3(Sp)

EB1 (end-binding protein 1) - білок, що взаємодіє з
APC.

Nud(An)

Nud (nuclear distribution) - білок, що регулює дінеїни.

Lis1/NUDF(An), Pac1(Sc)

Lis (lissencephaly) – порушення розвитку людського мозку
(Гладкий мозок). Білок взаємодіє з Динеїн регулюючи
його функцію.

NUDE(An), R011(Neurospora
crassa) /Ndl1(Sc) ; Nde1, Ndel1
(ссавці).

Ці білки взаємодіють з Lis1 і денеїнами і забезпечують
їхнє функціонування.

Kar3(Sc)

Kar3 - кінезин, що має C-кінцевий моторний домен і належить
до сімейства Kinesin-14.

Kip2(Sc), Tea2
(Sp), KipA(An)

Кінезини грибів, що належать сімейству Kinesin-7.
CENP-E - центромірний білок ссавців, Kip2, Tea2 and
KipA

Klp10A(Dm), KLP59C, MCAK

Члени сімейства Kinesin-13. Klp10A - гаданий гомолог
Kif2A ссавців. Klp59C (Dm) - передбачуваний гомолог
MCAK ссавців. KLP10A та інші члени Kin I
субродини кінезинів, що взаємодіють з некепірованим
(-)-кінцем мікротрубочок веретена поділу під час мітозу.
Вони забезпечують дисоціацію тубулінових димерів полюсів.
клітини, сприяючи тедмілінгу(руху
мікротрубочок до полюсів та укорочення мікротрубочок під час
анафази мітозу).

Dynactin

Комплекс білків, що включає білок p150glued. Динактин пов'язує
Динеїн і регулює його властивості, а також приєднує везикули
до дінеїну. p150glued – гомолог NUDMA. nidulans.

CLIP-170, Bik1 (Sc), Tip
(Sp)

CLIP-170 забезпечує стабілізацію та зростання мікротрубочок,
а також регулює локалізацію дінеїну.

СLIP-170 - забезпечує посадку комплексу дінеїн-динактин,
бере участь у транспорті везикул, на кінець мікротрубочки.
LIP-170 знаходиться в цитоплазмі у неактивній конформації
в якій N-кінець зв'язується з мікротрубочкою пов'язаний
з С-кінцем тієї ж молекули. При зв'язуванні N-кінця з тубуліном
або (+)-кінцем мікротрубочки, C-кінець звільняється та зв'язується
з комплексом дінеїн-динактин через молекулу p150Glued, мікротрубочка
стабілізується. Диненін-динактин звільняється і починає
рух уздовж мікротрубочки (рис.3)

Деякі токсини та ліки, деякі з яких порушують мітоз впливають на полімеризацію та деполімеризацію тубуліна:
таксол - протипухлинні ліки, що стабілізує мікротрубочки.
колхіцин пов'язує тубулін блокуючи полімеризацію. Мікротрубочки деполімеризуються при високій концентрації колхіцину.
вінбластин - посилює деполімеризацію утворюючи паракристали вінбластин-тубулін.
нокодазол - забезпечує деполімеризацію мікротрубочок.
Асоціація пригнічується вінбластин, вінкрістин, колхіцин, посилюється – таксол.
Гамма-сома – центр, що організує мікротрубочки на зовнішній поверхні ядра.

Мікрофіламенти

Мономер G-актин (глобулярний актин) - асиметричний
(42кДа) складається з двох доменів, у міру підвищення іонної
сили агрегує в скручений в спіраль полімер F-актин (фібрилярний
актин).

G-актин має ділянки зв'язування двовалентних катіонів.
та нуклеотидів у фізіологічних умовах зайняті Mg 2+
та ATP.

Полімеризація G-актину в F-актин

F-актин має полярність (+) і (-) мають
різні властивості.

Молекула G-актину несе міцно пов'язану АТФ, який при
переході в F-актин повільно гідролізується до АДФ – виявляє
властивості АТФ-ази Полімеризація супроводжується гідролізом
АТФ, що потрібно т.к. полімеризація йде й у присутності
негідролізованих аналогів АТФ

Полімеризація складається з кількох процесів: нуклеація,
елонгація, дисоціація,
фрагментація, стикування.
Ці процеси протікають одночасно.

Нуклеація– з'єднання трьох G-актинів –
ініціація полімеризації.

Елонгація- нарощування ланцюга актину шляхом
приєднання G-актину до (+)-кінця F-актину.

Дисоціація- вкорочування ланцюга. Деполімеризація
актина має однакову швидкість з обох кінців

Фрагментація- внаслідок теплового руху
F-актин може фрагментуватись.

Стикування- окремі фрагменти можуть з'єднуватися
один з одним кінець у кінець.

При концерації G>F – одночасно відбувається полімеризація
(+) та (–) кінця.

Якщо G (–)-кінця – тредмілінг– рух F-актину
за рахунок одночасного нарощування (+)-кінця та дисоціації
(-)-кінця. При G ~ F - динамічна рівновага - відбувається
полімеризація (+) та деполімеризація (–)-кінця з витратою
енергії ATP G-актин зв'язок з ATP і полімеризуючи гідролізує
ATP.при критичних кінців G-актину (+) кінець подовжується,
а (-) – коротшає

Актинові мікрофіламенти

F-актин – фібрилярний, довжина обороту спіралі 37
нм, d=6-8нм.

Актинзв'язуючі білки

Більше 50 білків у цитоплазмі зв'язуються з актином виконуючи
різні функції: регулюють обсяг G-актинового пулу (профілін),
впливають на швидкість полімеризації (вілін), стабілізують
кінці ниток (фрагін, а-актинін), зшивають філаменти ін.
ін або з ін компонентами (вілін, α-актин, спектрин,
MARCKS, фімбрин), руйнують подвійну спіраль F-актину (гельзолін).
Активність цих білків регулюється Ca 2+ та протеїнкіназами.

Є п'ять місць дії білків: з мономером
актина, з (+)-кінцем (оперений), з (-)-кінцем (загострений),
з боковою поверхнею. Актин-зв'язуючі білки можуть бути
чутливі або нечутливі до Ca 2+

1. Білки зв'язуються з мономером актину - пригнічують нуклеацію
(профілін, фрагментин – чутливі до Ca 2+).
Профілін з мономером здатні надбудовувати F-актин, а фрагментин
ні, блокуючи і нуклеацію та елонгацію. Чи не чутливі
до Ca 2+ ДНКазаI і білок, що зв'язується з вітаміном
D - функціонують поза клітиною.

2. Кепіруючі(+)-кінець може бути блокований кепіруючими
білками - блокування елонгації та стикування, сприяють
нуклеації - поява укорочених філаментів (гельзолін,
віллін, фрагмін)

3. (-)-кінець - ініціювання нуклеації, придушення стикування
та елонгації - збільшення числа та зменшення довжини фрагментів.
Акументин у макрофагах, колод - сироватковий білок викликає
швидке зниження в'язкості розчину F-актину. Обидва білки не
чутливі до Ca 2+

4. Не зшивають - бічне зв'язування може як стабілізувати
так і дестабілізувати F-актин Тропоміозин (Ca-незалежний)
стабілізує, північ, віллін (Ca-залежний) - зв'язуючись
з F-актином розрізають його.

5. Зшивають F-актин між собою з утворенням гелю. Такі
білки індукують нуклеацію. Такі білки димерні або мають
два актин-зв'язуючі домени. α-актин тромбоцитів,
віллін, фімбрин, актиногелін з макрофагів (Ca-незалежний).

білки, що кепують- закривають кінці актинових
філаментів, запобігаючи полімеризації-деполімеризації,
сприяють прикріпленню філаменту до мембрани.

фалоїдин- отрута блідої поганки, зв'язується
з (-)-кінцем та інгібує деполяризацію.

цитохалазин– токсин цвілевих грибів приєднується
до (+) кінця, блокуючи полімеризацію.

кепіруючі-фрагментуючі білки- Фрагментують
F-актин, викликаючи перехід гелю в золь (гельзолін 90kD активуючись
Ca2+ 10-6M розриває F-актин та зв'язується з його кінцями).

білки зв'язуючі F-актин

Структури, що утворюються актином

Клітинний кортекс- Мережа з актинових філаментів
під плазматичною мембраною.

Філоподії

Стрес-фібрили - утворюються, коли клітина має
можливість прикріпитися до субстрату

Проміжні філаменти

ПРОМІЖНІ ФІЛАМЕНТИ
білки між філаментами клітини число M, kD тип
кислі кератини епіт >15 40-57 I
основні кератини епіт >15 53-67 II
десмін миша 1 53 III
кислий фібрилярний білок гліальний, астроцити 1 50
вiментин мезенх, нек епіт 1 57
периферин нервові 1 57
білки нейрофіламентів: аксони та дендрити IV
NF-L 1 62
NF-M 1 102
NF-H 1 110
інтернексин ЦНС 1 66
нестин епіт нервової тканини 1 240
ламін A ядра всіх клітин 1 70 V
ламін B 1 67
ламін С 1 67
септамерний мономер?паралельний димер?антипаралельний тетрамер?протофіламент? протофібрила? ПФ
проміжні філаменти
d=10нм, (цитокератини, десмін, віментин, кислий фібрилярний гліапротеїн (GFAP), нейрофіламент) складаються з базової стрижневої стр-ри - суперспіралізована -спіраль, такі димери асоціюють антипаралельно, утворюючи тетрамер, агрегація тетра 8 протофіламентів образ. проміжне волокно | полімеризація веде до образ. стійких неполярних полімерних молекул

білки пов'язані з ПФ
білок M, kD локалізація
BPAG1 230 напівдесмосоми
плакоглобін 3 десмосоми
десмоплакінI 250 десм
десмоплакінII 215 десм
Плектин 300 кортек. зона
анкірін 140 кортек. зона
філаггрін 30 цитозоль
рецептор B-ламіну 58 ядро
У мутантів мишей відсутня віментин, миші живуть абсолютно нормально.
У рослинних клітинах цитоскелет представлений мікротрубочками та мікрофіламентами, проміжних філаментів немає, але є ламіни

Вії

Вія - виріст цитоплазми h=300нм, покритий пм
аксонема – d=200нм, 9 дублетів мікротрубочок, 100, 2 центральні мікротрубочки, А-мікротрубочка - 13 субодиниць, В-мікротрубочка – 11 субодиниць,
базальне тільце - занурене в цитоплазму d = 200 нм, 9 триплетів мікротрубочок, має ручки, втулку та спиці в проксимальній частині.
Швидкість руху клітин за рахунок вій може досягати ~5мм/c. Число вій в кл трахеї ~ 300, в клітині інфузорії ~ 14тис.
кінетоцилії - здатні до руху (епітелії, спермії), первинні вії - не рухаються.

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії

Цитоскелет еукаріотів. Актинові мікрофіламенти пофарбовані в червоний, мікротрубочки - зелений, ядра клітин - блакитний колір.

Цитоскелет- Це клітинний каркас або скелет, що знаходиться в цитоплазмі живої клітини. Він присутній у всіх клітинах еукаріотів, причому в клітинах прокаріотів виявлені гомологи всіх білків цитоскелета еукаріотів. Цитоскелет - динамічна структура, що змінюється, в функції якої входить підтримка та адаптація форми клітини до зовнішніх впливів, екзо- та ендоцитоз, забезпечення руху клітини як цілого, активний внутрішньоклітинний транспорт і клітинний поділ.

Кератинові проміжні філаменти у клітині.

Цитоскелет утворений білками, виділяють кілька основних систем, званих або за основними структурними елементами, помітними при електронно-мікроскопічних дослідженнях (мікрофіламенти, проміжні філаменти, мікротрубочки), або за основними білками, що входять до їх складу (актин-міозинова система, кератини, динеїнова система).

Цитоскелет еукаріотів

Актинові філаменти (мікрофіламенти)

Близько 7 нм в діаметрі, мікрофіламенти являють собою два ланцюжки з мономерів актину, закручені спіраллю. В основному вони сконцентровані у зовнішньої мембрани клітини, оскільки відповідають за форму клітини та здатні утворювати виступи на поверхні клітини (псевдоподії та мікроворсинки). Також вони беруть участь у міжклітинній взаємодії (утворенні адгезивних контактів), передачі сигналів і разом з міозином - у м'язовому скороченні. За допомогою цитоплазматичних міозинів мікрофіламентами може здійснюватися везикулярний транспорт .

Проміжні філаменти

Цитоскелет прокаріот

Довгий час вважалося, що цитоскелет мають тільки еукаріоти. Однак із виходом у 2001 році статті Jones та співавт. (PMID 11290328), що описує роль бактеріальних гомологів актину в клітинах Bacillus subtilis, розпочався період активного вивчення елементів бактеріального цитоскелета На цей час знайдено бактеріальні гомологи всіх трьох типів елементів цитоскелета еукаріот-тубуліна, актину та проміжних філаментів. Також було встановлено, що, як мінімум, одна група білків бактеріального цитоскелета, MinD/ParA, не має еукаріотичних аналогів.

Бактеріальні гомологи актину

До найбільш вивчених актиноподібних компонентів цитоскелета відносяться MreB, ParM та MamK.

MreB та його гомологи

Білки MreB та його гомологи є актиноподібними компонентами цитоскелета бактерій, які відіграють важливу роль у підтримці форми клітини, сегрегації хромосом та організації мембранних структур. Деякі види бактерій, такі як Escherichia coli, мають лише один білок MreB, тоді як інші можуть мати 2 і більше MreB-подібних білків. Прикладом останніх є бактерія Bacillus subtilis, У якої були виявлені білки MreB, Mbl ( M re B-l ike) та MreBH ( MreB h omolog).

У геномах E. coliі B. subtilisген, який відповідає за синтез MreB, знаходиться в одному опероні з генами білків MreC і MreD. Мутації, що пригнічують експресію даного оперону, призводять до утворення клітин сферичної форми зі зниженою життєздатністю.

Субодиниці білка MreB утворюють філаменти, що обвивають паличкоподібну бактеріальну клітину. Вони розміщуються на внутрішній поверхні цитоплазматичної мембрани. Філаменти, що утворюються MreB, динамічні, постійно зазнають полімеризації та деполімеризації. Безпосередньо перед розподілом клітини MreB концентрується в ділянці, в якій формуватиметься перетяжка. Вважається, що функцією MreB також є координація синтезу муреїну - полімеру клітинної стінки.

Гени, які відповідають за синтез гомологів MreB, були виявлені тільки у паличкоподібних бактерій і не були знайдені у коків.

ParM

Білок ParM є присутнім у клітинах, що містять малокопійні плазміди. Його функція полягає у розведенні плазмід по полюсах клітини. При цьому субодиниці білка формують філаменти, витягнуті вздовж великої осі паличкоподібної клітини.

Філамент за своєю структурою є подвійною спіралью. Зростання філаментів, що утворюються ParM, можливе з обох кінців, на відміну від актинових філаментів, що ростуть тільки на ± полюсі.

MamK

MamK – це актиноподібний білок Magnetospirillum magneticumвідповідає за правильне розташування магнітосом. Магнітосоми є вп'ячуванням цитоплазматичної мембрани, що оточують частинки заліза. Філамент MamK виконує роль напрямної, вздовж якої одна за одною розташовуються магнітосоми. Без білка MamK магнітосоми розташовуються безладно по поверхні клітини.

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії

Цитоскелет- Це клітинний каркас або скелет, що знаходиться в цитоплазмі живої клітини. Він присутній у всіх клітинах еукаріотів, причому в клітинах прокаріотів виявлені гомологи всіх білків цитоскелета еукаріотів. Цитоскелет - динамічна структура, що змінюється, в функції якої входить підтримка та адаптація форми клітини до зовнішніх впливів, екзо- та ендоцитоз, забезпечення руху клітини як цілого, активний внутрішньоклітинний транспорт і клітинний поділ. Цитоскелет утворений білками, виділяють кілька основних систем, званих або за основними структурними елементами, помітними при електронно-мікроскопічних дослідженнях (мікрофіламенти, проміжні філаменти, мікротрубочки), або за основними білками, що входять до їх складу (актин-міозинова система, кератини, динеїнова система).

Цитоскелет еукаріотів

Актинові філаменти (мікрофіламенти)

Близько 7 нм в діаметрі, мікрофіламенти являють собою два ланцюжки з мономерів актину, закручені спіраллю. В основному вони сконцентровані у зовнішньої мембрани клітини, оскільки відповідають за форму клітини та здатні утворювати виступи на поверхні клітини (псевдоподії та мікроворсинки). Також вони беруть участь у міжклітинній взаємодії (утворенні адгезивних контактів), передачі сигналів і разом з міозином - у м'язовому скороченні. За допомогою цитоплазматичних міозинів мікрофіламентами може здійснюватися везикулярний транспорт .

Проміжні філаменти

Мікротрубочки

Цитоскелет прокаріот

Довгий час вважалося, що цитоскелет мають тільки еукаріоти. Однак із виходом у 2001 році статті Jones та співавт. (), що описує роль бактеріальних гомологів актину в клітинах Bacillus subtilis, розпочався період активного вивчення елементів бактеріального цитоскелета На цей час знайдено бактеріальні гомологи всіх трьох типів елементів цитоскелета еукаріот-тубуліна, актину та проміжних філаментів. Також було встановлено, що, як мінімум, одна група білків бактеріального цитоскелета, MinD/ParA, не має еукаріотичних аналогів.

Бактеріальні гомологи актину

До найбільш вивчених актиноподібних компонентів цитоскелета відносяться MreB, ParM та MamK.

MreB та його гомологи

Білки MreB та його гомологи є актиноподібними компонентами цитоскелета бактерій, які відіграють важливу роль у підтримці форми клітини, сегрегації хромосом та організації мембранних структур. Деякі види бактерій, такі як Escherichia coli, мають лише один білок MreB, тоді як інші можуть мати 2 і більше MreB-подібних білків. Прикладом останніх є бактерія Bacillus subtilis, У якої були виявлені білки MreB, Mbl ( M re B-l ike) та MreBH ( MreB h omolog).

У геномах E. coliі B. subtilisген, який відповідає за синтез MreB, знаходиться в одному опероні з генами білків MreC і MreD. Мутації, що пригнічують експресію даного оперону, призводять до утворення клітин сферичної форми зі зниженою життєздатністю.

Субодиниці білка MreB утворюють філаменти, що обвивають паличкоподібну бактеріальну клітину. Вони розміщуються на внутрішній поверхні цитоплазматичної мембрани. Філаменти, що утворюються MreB, динамічні, постійно зазнають полімеризації та деполімеризації. Безпосередньо перед розподілом клітини MreB концентрується в ділянці, в якій формуватиметься перетяжка. Вважається, що функцією MreB також є координація синтезу муреїну - полімеру клітинної стінки.

Гени, які відповідають за синтез гомологів MreB, були виявлені тільки у паличкоподібних бактерій і не були знайдені у коків.

ParM

Білок ParM є присутнім у клітинах, що містять малокопійні плазміди. Його функція полягає у розведенні плазмід по полюсах клітини. При цьому субодиниці білка формують філаменти, витягнуті вздовж великої осі паличкоподібної клітини.

Філамент за своєю структурою є подвійною спіралью. Зростання філаментів, що утворюються ParM, можливе з обох кінців, на відміну від актинових філаментів, що ростуть тільки на ± полюсі.

MamK

MamK – це актиноподібний білок Magnetospirillum magneticumвідповідає за правильне розташування магнітосом. Магнітосоми є вп'ячуванням цитоплазматичної мембрани, що оточують частинки заліза. Філамент MamK виконує роль напрямної, вздовж якої одна за одною розташовуються магнітосоми. Без білка MamK магнітосоми розташовуються безладно по поверхні клітини.

Гомологи тубуліна

В даний час у прокаріотів знайдено 2 гомологи тубуліна: FtsZ і BtubA/B. Як і еукаріотичний тубулін, ці білки мають ГТФазну активність.

FtsZ

Білок FtsZ надзвичайно важливий для клітинного поділу бактерій, він знайдений практично у всіх еубактерій та архей. Також гомологи цього білка були виявлені в пластидах еукаріотів, що є ще одним підтвердженням їх симбіотичного походження.

FtsZ формує так зване Z-кільце, що виконує роль каркасу для додаткових білків клітинного поділу. Разом вони є структурою, відповідальною за утворення перетяжки (септи).

BtubA/B

На відміну від поширеного FtsZ, ці білки виявлені лише в бактерій роду Prostecobacter. Вони ближчі до тубуліну за своєю будовою, ніж FtsZ.

Кресцентин, гомолог білків проміжних філаментів

Білок був знайдений у клітинах Caulobacter crescentus. Його функцією є надання клітин C. crescentusформи вібріона. У разі відсутності експресії гена кресцентину клітини C. crescentusнабувають форми палички. Цікаво, що клітини подвійних мутантів, кресцентин – і MreB – мають сферичну форму.

MinD та ParA

Ці білки не мають гомологів серед еукаріотів.

MinD відповідає за положення сайту поділу у бактерій та пластид. ParA бере участь у розподілі ДНК по дочірнім клітинам.

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Цитоскелет"

Примітки

Уривок, що характеризує цитоскелет

Вітальня Анни Павлівни почала потроху наповнюватись. Приїхала вища знать Петербурга, люди найрізноманітніші за віками і характерами, але однакові у суспільстві, де всі жили; приїхала дочка князя Василя, красуня Елен, яка заїхала за батьком, щоб разом з ним їхати на свято посланця. Вона була в шифрі та бальній сукні. Приїхала і відома, як la femme la plus seduisante de Petersbourg [найчарівніша жінка в Петербурзі,], молода, маленька княгиня Болконська, минула зима вийшла заміж і тепер не виїжджала у велике світло через свою вагітність, але їздила ще на невеликі вечори. Приїхав князь Іполит, син князя Василя, із Мортемаром, якого він представив; приїхав і абат Моріо та багато інших.
- Ви ще не бачили? або: – Ви не знайомі з ma tante [з моєю тітонькою]? – говорила Ганна Павлівна гостям, що приїжджали, і дуже серйозно підводила їх до маленької бабусі у високих бантах, що випливла з іншої кімнати, коли почали приїжджати гості, називала їх на ім'я, повільно переводячи очі з гостя на ma tante [тітоньку], і потім відходила.
Всі гості робили обряд вітання нікому невідомої, нікому нецікавої та непотрібної тітоньки. Ганна Павлівна з сумною, урочистою участю стежила за їхніми привітаннями, мовчазно схвалюючи їх. Ma tante кожному говорила в одних і тих же висловлюваннях про його здоров'я, про своє здоров'я і про здоров'я її величності, яка нині була, дякувати Богові, краще. Усі, хто підходив, з пристойності не виявляючи поспішності, з почуттям полегшення виконаного важкого обов'язку відходили від бабусі, щоб уже весь вечір жодного разу не підійти до неї.
Молода княгиня Болконська приїхала з роботою у шитому золотому оксамитовому мішку. Її гарненька, з трохи вухами, що чернели, верхня губка була коротка по зубах, але тим миліша вона відкривалася і тим ще миліше витягувалася іноді і опускалася на нижню. Як це завжди буває у цілком привабливих жінок, недолік її – короткість губи та напіввідкритий рот – здавалися її особливою, власне її красою. Всім було весело дивитися на цю, повну здоров'я і жвавості, гарну майбутню матір, що так легко переносила своє становище. Старим і нудним, похмурим молодим людям, які дивилися на неї, здавалося, що вони самі робляться схожі на неї, побувши і поговоривши кілька часу з нею. Хто розмовляв з нею і бачив при кожному слові її світлу усмішку і блискучі білі зуби, які виднілися безперестанку, той думав, що він особливо нині люб'язний. І це думав кожен.
Маленька княгиня, перевалюючись, маленькими швидкими кроками обійшла стіл із робочою сумочкою на руці і, весело оправляючи сукню, сіла на диван, біля срібного самовару, ніби все, що вона не робила, було part de plaisir для неї і для всіх її оточуючих.
- J'ai apporte mon ouvrage [Я захопила роботу], - сказала вона, розгортаючи свій рідікюль і звертаючись до всіх разом.
— Дивіться, Annette, я не маю хлопця pas un mauvais tour, — звернулася вона до господині. - Vous m'avez ecrit, que c'etait une toute petite soiree; voyez, comme je suis attifee. [Не зіграйте зі мною поганого жарту; ви мені писали, що ви зовсім маленький вечір. Бачите, як я одягнена погано.]
І вона розвела руками, щоб показати своє, в мереживах, сіреньку витончену сукню, трохи нижче грудей підперезану широкою стрічкою.
— Будьте спокійні, ви все будете найкращі, — відповіла Ганна Павлівна.
- Vous savez, mon mari m'abandonne, - продовжувала вона тим же тоном, звертаючись до генерала, - il va se faire tuer. , навіщо ця гидка війна, ] - сказала вона князю Василю і, не чекаючи відповіді, звернулася до дочки князя Василя, до гарної Елен.
– Quelle deliciause personne, que cette petite princesse! [Що за чарівна особа ця маленька княгиня!] – сказав князь Василь тихо Ганні Павлівні.
Незабаром після маленької княгині увійшов масивний, товстий юнак із стриженою головою, в окулярах, світлих панталонах за тодішньою модою, з високим жабо і в коричневому фраку. Цей товстий хлопець був незаконним сином знаменитого Катерининського вельможі, графа Безухого, який помирав тепер у Москві. Він ніде ще не служив, тільки-но приїхав з-за кордону, де він виховувався, і був уперше в суспільстві. Анна Павлівна вітала його поклоном, що відноситься до людей найнижчої ієрархії у її салоні. Але, незважаючи на це найнижче за своїм сортом привітання, побачивши П'єра, що увійшов, в особі Ганни Павлівни зобразилося занепокоєння і страх, подібний до того, що виражається побачивши чогось занадто величезного і невластивого місця. Хоча, справді, П'єр був трохи більше за інших чоловіків у кімнаті, але цей страх міг ставитися тільки до того розумного і разом боязкого, спостережливого і природного погляду, що відрізняв його від усіх у цій вітальні.

- Це система ниткоподібних структур, переважно є впорядкованими полімерами білків одного класу, що є в клітинах бактерій та архей. Усі досліджені (на 2006 рік) білки цитоскелету бактерій здатні до самоорганізації у довгі філаменти. in vitro.

Цитоскелет прокаріот був вперше відкритий на початку 1990 років, коли було встановлено, що майже всі бактерії і більшість архей містять білок FtsZ, який є гомологом тубуліна, і може полімеризуватися в філаменти, що утворюють кільце (Z-кільце) під час клітинного поділу. Пізніше виявили і прокаріотичні гомологи актина. Ці відкриття змінили уявлення про те, що саме відсутність цитоскелета є найважливішою причиною менших розмірів та простої організації прокаріотів порівняно з еукаріотами. Зате зараз допускається, що відносна простота бактерій і архей пов'язана з відсутністю білків-моторів (принаймні досі вони не були виявлені), що «ходять» вздовж філаментів цитоскелета і забезпечують транспорт різних структур, а також і локомоції всієї клітини.

Наявність у прокаріотів гомологів актину та тубуліна дозволяє припускати, що ці два класи нуклеотид-зв'язуючих білків, які можуть утворювати догві філаменти, виникли в процесі еволюції досить давно, ще до появи еукаріотів. Однак, ядерні та без'ядерні організми по-різному їх використовують, наприклад, у цитокінезі бактерій задіяний гомолог тубуліна FtsZ, тоді як у еукаріотів цю функцію здійснюють актинові філаменти, у відмінності молекул ДНК при розподілі у бактерій навпаки беруть участь гомологи актину, а у еукарі з тубуліна, що утворюють веретено поділу. Також у прокаріотів був виявлений принаймні один клас білків, які можуть вважатися гомологами білків проміжних філаментів і один клас білків цитоскелета - АТФази типу Walker A (WACA - MinD і PraA), що не мають відповідності еукаріотів.

Гомологи актину

2001 року Джонс (англ. Jones)і співробінтники виявили, що у бактерії Bacillus subtilisприсутні білки гомологи актину, які формують довгі спіральні структури. Це відкриття дало початок інтенсивному розвитку досліджень у галузі цитоскелету прокаріотів, внаслідок чого було виявлено багато інших гомологів актину. Для всіх цих білків характерна наявність актинового АТФазного домену. Більшість з них, як і актин в еукароїт, є частиною цитоскелету, проте деякі мають інші функції, наприклад FtsA, що бере участь у клітинному поділі, шаперон DnaK та гексокінази. Гомологи актину бактерій мають схожу просторову будову, але переважно досить сильно відрізняються за амінокислотною послідовністю (5-10% ідентичності). Також ці білки мають відмінні характеристики динаміки полімеризації та властивостей філаментів, які вони утворюють. Очевидно, що на відміну від еукаріотів, які використовують один і той же актин для різних потреб клітини, бактерії мають багато варіантів подібних білків, кожен з яких спеціалізований на виконанні окремої функції.

MreB та його гомологи

MreB (англ. M u r ein cluster B)і його гомологи - білки поширені серед бактреій, що мають паличкоподібну або спіральну форму, і відсутні в коках. Деякі бактерії, наприклад Escherichia coliі Caulobacter crescentus,містять тільки ген білка MreB, тоді як інші, зокрема Bacillus subtilis,крім нього мають також гени його гомологів Mbl (англ. M re B - l ike) та MreBH (англ. MreB h omolog). Ці білки забезпечують підтримку паличкоподібної форми клітини, її полярності, а також відмінності копій бактеріальної ДНК під час поділу.

Структура та динаміка філаментів MreB та його гомологів

In vivoбілок MreB та його гомологи утворюють довгі спіральні філаменти розташовані вздовж бактеріальної клітини, вони можуть об'єднуватися у міцні та досить гнучкі пучки. Такі філаменти є динамічними структурами, тривалість їх півжиття зазвичай не перевищує кількох хвилин. Крім того, у деяких видів, зокрема C.crescentusі Rhodobacter sphaeroidesФіламенти MreB змінюють своє розташування протягом клітинного циклу: при розподілі вони концентруються в центральній частині клітини і утворюють кільце. Однак, оскільки мутанти з делецією гена mreB не втрачають здатність до цитокінезу, очевидно, білок MreB не є необхідним для цього процесу.

Як було показано в експериментах на білках бактерії Thermotoga maritimaмономерні одиниці MreB здатні до самоорганізації in vitroу довгі лінійні філаменти, які складаються з двох протофіламентів, розташованих паралельно. Отже, за будовою філаменти MreB відрізняються F-актину, утвореного двома ланцюгами спірально закрученими один навколо одного. Для полімеризації MreB необхідна наявність у середовищі АТФ, проте вона відбувається однаково успішно й у присутності ГТФ (на відміну актина, який полімеризується лише за наявності АТФ). Це пов'язано з тим, що нові субодиниці включаються до складу полімеру тільки у формі пов'язаної з нуклеотидтрифосфатом, пізніше відбувається гідроліз зв'язаного АТФ або ГТФ до АДФ або ГДФ відповідно.

Функції MreB та його гомологів

Однією з основних функцій філаментів MreB та гомологічних білків є підтримка паличкоподібної або спіральної форми бактеріальної клітини. Мутації, які порушують експресію цих білків, призводять до вираженої зміни форми бактерій (як правило, вони перетворюються на округлі клітини, або у разі Mbl — на клітини неправильної форми). Однак філаменти MreB не служать безпосередньо каркасом для підримання форми клітини, у свою чергу, розташовуючись по спіралі вздовж неї вони є сайтами для прикріплення ферментів, що синтезують пептидоглікан клітинної стінки. Таким чином, вони регулюють характер відкладення нових елементів до оболонки бактерій, яка власне і є визначальним фактором у підтримці постійної форми. Подібно мікротрубочки рослинної клітини впливають на її форму, направляючи включення молекул целюлози в клітинну стінку. У багатьох бактерій (у тому числі і в E.coliі B.subtilis)ген mreBє частиною оперону, до складу якого входять також гени mreCі mreD.Цей оперон входить до великого кластера генів, необхідних для біосинтезу пептидоглікану. Продукти генів mreCі mreD- це білки внутрішньої мембрани грамнегативних бактерій, вони взаємодіють з білком MreB і беруть участь в організації його комплексу з ферментами, що беруть участь у біосинтезі муреїн, такими як муреінтранспептидаза PBP2. Також до складу цього комплексу входять трансмембранні білки RodZ та RodA.

Філаменти MreB також беруть участь у визначенні деяких аспектів полярності клітини, зокрема концентрації на одному або обох полюсах деяких білків, наприклад, тих, що відповідають за хемотаксис, рухливість, секрецію та вірулентність.

Ще однією функцією MreB та його гомологів є участь у відмінності копій бактеріальної хромосоми під час поділу. Серед мутантів, у яких цей білок відсутній, були виявлені клітини з кількома нуклеоїдами в цитоплазмі, а також клітини, які не мали хромосом. Місцем прикріплення MreB білків до бактеріальної ДНК є точка oriC, приєднання відбувається або безпосередньо, або за участю інших білків. При розділі філаменти цитоскелета забезпечують відмінності точок oriC двох копій ДНК у протилежних кінців клітини, механізм цього процесу поки що (2006 рік) не з'ясований. Також невідомо яким чином виникає розбіжність хромосом у коків, у яких відсутня ген mreBта його гомологи.

Білок поділу плазмід ParM

Багато малокопійних (~ 1-5 копій) плазмід бактерій мають спеціальні системи, що забезпечують їх відмінності після реплікації. Ці механізми необхідні для того, щоб після поділу кожна з дочірніх клітин одержала принаймні одну молекулу плазмідної ДНК. Відомо три типи систем, що забезпечують відмінності малокопійних плазмід, у кожній з яких використовуються різні моторні білки (тип I - АТФази типу Walker A або ParA-подібні білки, тип II - гомологи тубуліна або TubZ-подібні білки, тип III - гомологи актину або ParM -Образні білки). Білок ParM (від англ. Par titioning m otor)був вперше виявлений при дослідженні пламзиди R1 E.coli. Наразі ця система сегрегації плазмідної ДНК є краще вивченою. Схожа система була виявлена ​​і в інших плазмідах, зокрема тих, що відповідають за поширення стійкості до багатьох препаратів (англ. Multidrug resistance).

Структура та динаміка філаментів ParM

Як і всі елементи цитоскелета, філаменти ParM складаються з мономерних білкових субодиниць. Ці субодиниці здатні до полімеризації in vitroу присутності АТФ чи ГТФ. Нитки, що утворюються, складаються з двох протофіламентів, закручених один навколо одного (структура схожа на F-актину). У живих клітинах мономери ParM формують довгі нерозгалужені філаменти, які розміщуються вздовж осі бактерії. На відміну від актину і MreB та його аналогів ParM не утворює пучків.

Полімеризація та дисоціація мономерів ParM залежить від приєднання та гідролізу АТФ. Нові субодиниці включаються до складу філаментів в АТФ-пов'язаній формі, причому приєднання може відбуватися на обох кінцях філаментів. Одночасно із включенням нової ParM-АТФ субодиниці відбувається гідроліз АТФ в останній приєднаній білковій молекулі. Таким чином, весь філамент складається з білків ParM-АДФ, і тільки на кінцях знаходяться ParM-АТФ субодиниці, які «КЕПУ» всю структуру стабілізують її.

За відсутності відповідної плазміди полімеризація філаментів ParM триває доки вони не досягають певної критичної довжини. Після цього вони починають дуже швидко дисоціювати, причому швидкість цього процесу приблизно в 100 разів перевищує таку для F-актину, тобто спостерігається так звана динамічна нестабільність, через яку ці елементи більше нагадують мікротрубочки еукаріотів.

Принцип функціонування філаментів ParM

Ген parMвходить у локусу parплазміди R1, крім нього тут також міститься ділянка parC(Від англ. C entromere), що відіграє роль аналогічну центромірам у хромосомах еукаріотів, а також ген parR,продукт якого ParR (від анг. R epressor) приєднується до ділянки parCта здійснює ауторегуляцію транскрипції локусу. par,а також є адаптером для приєднання білка ParM.

Після реплікації плазміди R1 до обох її копій в області parCприєднується білок ParR. У такому стані він може пов'язувати та стабілізувати філаменти ParM, які постійно збираються та розбираються у цитоплазмі. Після цього полімерні нитки ParM починають видовжуватися, приєднуючи на кожному кінці нові мономери. Цей процес супроводжується гідролізом АТФ. Внаслідок подовження філаментів дві плазміди, які приєднані до його країв, розштовхуються у різні боки доки не досягають полюсів клітини. Після цього відбувається дисоціація полімеру ParM.

Білок організації магнетосом MamK

Ще один прокароітичний гомолог актину MamK бере участь в організації мембран магнетосом. Магнетосоми – це оточені мембраною органели бактерій пологів Magnetospirillumі Magnetococcus,містять кристали магнетиту та допомагають бактерії орієнтуватися в геомагнітному полі. У клітці магнетосоми розташовані в ряд, у результаті вони можуть функціонувати як голка магніту. Таке розташування забезпечується філаментами білка MamK, якого ці мембранні бульбашки кріпляться.

Гомологи тубуліна

У більшості прокаріотів також є гомологи еукароітичного білка тубуліна, з якого складаються мікротрубочки. Краще вивченим із цих гомологів є блилок FtsZ, що бере участь у Цитокінез. Тубулін та FtsZ мають досить мало ідентичності в амінокислотній послідовності, консервативним є лише ГТФазний домен, проте за просторовою структурою вони схожі. Також у окремих представників бактерій та архей були виявлені інші гомологи тубуліна: наприклад білки BtubA / BtubB Prosthebacter dejoneii, а також TubZ і RepX, що кодуються плазмідними генами бактерій роду Bacillus.

FtsZ і Z-кільце

FtsZ FtsZ (англ. F ilamenting t emperature- s ensitive mutant Z)— один із перших виявлених у прокаріотів білок цитоскелету. Він є у клітинах практично всіх досліджених бактерій та архей, а також в еукаріотичних органелах, що походять від прокаріотів, зокрема пластидів. Цей білок бере участь у формуванні Z-кільця, забезпечує цитокінез під час поділу клітини. Крім FtsZ, у цьому процесі задіяно також велику кількість допоміжних білків, зокрема тих, що беруть участь у синтезі клітинної стінки бактерій.

Структура та динаміка філаментів FtsZ

Мономери FtsZ формують in vitroпротофіламенти, які з одного ряду цих білків. Протофіламенти не об'єднуються в структури схожі на мікротрубочок, хоча іноді і спостерігається формування пучків або листів. FtsZ полімеризується в активній ГТФ-пов'язаній формі, проте, на відміну від тубуліна, цей білок зазвичай не гідролізує ГТФ після включення його до складу протофіламенту. Таким чином, на відміну від протофіламентів мікротрубочок, які майже повністю складаються з ГДФ-тубуліна, і тільки на кінцях мають кепі з ГТФ-тубуліна, у протофіламентах FtsZ співвідношення ГТФ-зв'язаних субодиниць до ГДФ-пов'язаних становить 80:20.

За певних умов у протофіламентах FtsZ може відбуватися гідроліз ГТФ, у такому разі їх форма переважно змінюється від прямої до вигнутої, і відбувається дестабілізація полімеру, внаслідок чого він може розпадатися мономери. Протофіламент FtsZ є динамічними структурами, вони постійно обмінюються субодиницями з пулом вільних мономерів.

Структура Z-кільця

Частина білка FtsZ у клітині бере участь у формуванні Z-кільця, тоді як інші перебувають у цитоплазмі у мономерній формі, або у формі коротких філаментів. Як було показано за допомогою флуоресцентної мікроскопії (з використанням мічених антитіл або FtsZ злитого з GFP), Z-кільце добре помітне в центрі більшості клітин. Під час клітинного поділу воно скорочується, забезпечуючи таким чином цитокінез. Одночасно зі зменшенням Z-кільця в материнській клітині, FtsZ починає полімеризуватися у центрі дочірніх клітин.

Z-кільце не складається з одного замкненого в протофіламенті FtsZ, як показують численні дослідження, кількість мономерів FtsZ в Z-кільці достатня для того, щоб зробити приблизно 2,5 витків навколо внутрішнього діаметра клітини. Оскільки окремі протофіламенти FtsZ значно коротші за коло клітини, була запропонована модель будови Z-кільця, згідно з якою вона складається з великої кількості коротких філаментів, що перекриваються. Ця модель була підтверджена даними, отриманими за допомогою електронної кріотомографії. Однак існують також альтернативні моделі будови Z-кільця, одна з яких передбачає, що протофіламенти FtsZ взаємодіють кінець до кінця і утворюють безперервну спіраль.

Для забезпечення цитокінезу Z-кільце повинне якимось чином кріпитися до плазматичної мембрани. Цю роль у більшості бактерій виконує білок напівінтегральний білок FtsA та трансмембранний білок ZipA, цитоплазматичні домени яких кріпляться до FtsZ.

Моделі функціонування Z-кільця під час цитокінезу

Механізм, за яким відбувається скорочення Z-кільця під час цитокінезу, досі залишається не з'ясованим. Існувало кілька гіпотез, що описували це вище:

• Модель ковзання:оскільки, швидше за все, Z-кільце складається з протофіламентів, які можуть взаємодіяти латерально, за аналогією з актином і міозином еукаріотів, передбачається, що існує певний моторний білок, який може забезпечувати ковзання цих протофіламентів один одного. У міру цього процесу також відбувається деполімеризація FtsZ, таким чином Z-кільце укорочується і тягне плазматичну мембрану за собою. Головним недоліком цієї моделі є те, що жодних таких моторних білків не було знайдено в одного із видів бактерій.
• «Каркасна» модель:протофіламенти FtsZ можуть відігравати пасивну роль у цитокінезі. Згідно з цією моделлю вони лише залучають ферменти синтезу клітинної стінки, до місця, де має відбутися цитокінез. Нові шари пептидоглікану, що відкладаються забезпечують вгинання плазматичної мембрани, внаслідок чого і відбувається скрочення Z-кільця. Ця модель не в змозі пояснити механізм цитокінезу у мікобактерій, зокрема Mycobacterium tuberculosis,у яких пептидоглікан взагалі відсутній у килтинній стінці.
• Модель «стиснення, що повторюється»- Найбільш визнана нині. Цей механізм не передбачає участі якихось білків-моторів, а говорить про те, що протофіламенти FtsZ самі можуть генерувати силу, необхідну для цитокінезу. Вважається, що філаменти у складі Z-кільця приєднуються до цитоплазматичної мембрани у ГТФ-пов'язаній формі, у такому разі вони мають пряму конформацію. Згодом у них відбувається гідроліз ГТФ, що призводить до згинання філаментів. Коли це відбувається, мебмрана клітини, приєднана до філаментів білками FtsA або ZipA, дещо прогинається. Таке послідовне стиснення мембрани призводить до цитокінезу. Тільки останні його етапи не можуть відбуватися за таким механізмом і, можливо, проходять без участі білка FtsZ.

Інші гомологи тубуліна

Секвенування геномів багатьох бактерій дозволило виявити деякі тубуліноподібні білки відрізняються від FtsZ. Зокрема, у бактерії Prosthebacter dejoneiiбуло знайдено два білки BtubA та BtubB (англ. B acterial tub ulin),які є гомологами відповідно α та β тубуліна. Під час полімеризації в присутності ГТФ вони утворюють гетеродимеру, як і тубулін. Нині функція цих білків невідома.

Цікаво, що ці білки за амінокислитною послідовністю значно ближчі до еукаріотичних тубулінів, ніж до їх прокаріотичного гомолога FtsZ. Вважається, що бактерія P. dejoneiiотримала гени цих білків у результаті горизонтального перенесення від еукаріотів.

Інший клас гомологів тубуліна був виявлений у великих плазмідах бактерій роду Bacillus,зокема:

• Білок TubZ Bacillus thuringiensis, що кодується генами плазиди pBtoxis;
• Білок RepX закодований у плазміді pX01 Bacillus anthracis.

Обидва ці білки здатні утворювати довгі філаменти, в результаті полімеризації в присутності ГТФ, і необхідні стабільної підтримки відповідної плазміди в клітині. Вони можуть брати участь у сегрегації копій плазміду, реплікації плазміду або в обох процесах.

Кресцентин - гомолог білків проміжних філаментів

Кресцентин – це білок проміжних філаментів, знайдений у бактерії Caulobacter crescentusта інших бактерій цього роду. Цей білок утовкує довгу вигнуту ниткоподібну структуру, яка розміщується вздовж внутрішнього краю комоподібної бактерії та забезпечує підтримання такої форми. При відсутності кресцентину бактерії стають плачкоподібними, але життєздатності не втрачають. Coiled coil).Полімеризація мономерів кресцентину, як і у разі еукаріотинчних білків проміжних філаментів, проходить без потреби в нуклеотидах. Цікаво, що для підтирмання форми C.crescentusкрім кресцентину необхідний також гомолог актину MreB, за його відсутності клітини стають сферичними, незважаючи на присутність кресцентину.

Цитоскелетні АТФази типу Walker A

Крім гомологів еукаріотичного актину, тубуліна та білків проміжних філаментів, у бактерій також виявлено компоненти цитоскелету, що не мають аналогів у клітинах ядерних. Зокрема, такі білки WACA (англ. Walker A cytoskeletal ATPase— цитоскелетні АТФази типу Walker A), що належать до функціонально різнорідної родини АТФаз, що мають у своїй структурі консервативний аномальний домен Walker A та димерезуються у присутності АТФ.

Білки WACA в АТФ-пов'язаній формі можуть утворювати полімери на певних поверхнях, наприклад, клітинної мембрани, і вважаються елементами цитоскелета. До цього класу відноситься білок MinD, що бере участь у визначенні місця, в якому проходитиме цитокінез під час поділу, та білки ParA, Soj, а також SopA та ParF, які забезпечують відмінності (сегрегацію) копій плазмід та бактеріальної хромосоми. Незважаючи на те, що вони мають різні функції, ці білки мають дуже схожу просторову будову та високий рівень гомології в амінокислотній послідовності. Всі WACA здатні до гідролізу АТФ, їх каталітична активність регулюється шляхом взаємодії з білками, що активують: для MinD - це білок MinE, а для ParA - ДНК-зв'язуючий білок ParB. Також цю сім'ю білків поєднує те, що за всіма ними спостерігається динамічна поведника in vivo:полімеризуватися форми цих білків осцилируют між певними клітинними ділянками. Наприклад, MinD полімеризуються то одному полюсі клітини, то іншому, тривалість такого циклу становить 40-50 сек. Білки ParA і Soj осцилируют переважно між двома нуклеоїдом перед розподілом, а часові інтервали «перестрибування» у них менш регулярні (від кількох хвилин до години).

Система MinCDE

Механізм осцилювання найкраще вивчений на прикладі системи MinCDE, до складу якої входить WACA MinD. Ця система необхідна клітині для того, щоб точно розмістити Z-кільце в центральній частині для правильного проходження цитокінезу. До її складу входять три білки:

• MinC - інгібітор полімеризації FtsZ;
• MinD - цитоскелетний білок WACA, що полімеризується на цитоплазматичній мембрані;
• MinE - білок, що стимулює гідролітичну активність MinD.

У E.coliця система функціонує так: після приєднання молекули АТФ MinD полімеризується на плазматичній мембрані, утворюючи спіралі. У такій активованій формі він пов'язує білок MinC, через що в цьому Конкреті місці пригнічується утворення Z-кільця. Також MinD-АТФ може взаємодіяти з MinE, що стимулює гідроліз АТФ, потім інактивований MinD від'єднується від мембрани і може дисоціювати в інше місце. Розпадається він переважно на протилежний полюс клітини, де не білка MinE, там починається полімеризація нового комплексу, яка продовжується доти, доки не закінчиться деполімеризація старого. А коли вона починає добігати кінця, то білок MinE вивільняється і починає «руйнувати» новостворений комплекс MinD/MinC. Таким чином цей комплекс «скаче» від одного полюса до іншого з перейодичністю 40-50хв, і не зачіпає лише центральну ділянку, де і відбувається утворення Z-кільця, оскільки там її нічого не пригнічує.

Незважаючи на те, що MinD дуже консервативним білком серед прокаріотів, у різних видів він функціонує по-різному, наприклад, B.subtilisне відбувається осцилювання: MinD постійно приєднаний до клітинних полюсів за допомогою іншого білка DivIVA. Крім того, бактерії мають «запасні» механізми просторового регулювання цитокінезу, які діють навіть за відсутності MinCDE, наприклад, механізм «уникнення нуклеоїду»: формування Z-кільця пригнічується поблизу нуклеоїду.

У деяких бактерій взагалі відсутня і система MinCDE і механізм «уникнення нуклеоїду», наприклад, C.crescentusмісце проходження цитокінезу визначається за допомогою білка MipZ (що має подібність до ParA). Цей білок полімеризується поблизу точки ori і пригнічує утворення Z-кільця.

Використані джерела

1. Shih YL, Rothfield L (2006). Бактериальний cytoskeleton. Microbiol Mol Biol Rev 70. с. 729-54. doi: 10.1128/MMBR.00017-06. PMID 16959967.
2. Bi EF, Lutkenhaus J (1991). FtsZ ring structure asocied with division в Escherichia coli. Nature 354. с. 161-4. doi: 10.1038/354161a0. PMID 1944597.
3. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). Molecular Biology of the Cell(вид. 5th). Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5.
4. Gitai Z (2005). Новий бактеріальний осередок біологічної: рухомих частин і субсекторної архітектури. Cell 120.
5. Gerdes K (2009). RodZ, як новий гравець в бактерійному секторі morphogenesis. The EMBO Journal 28. с. 171 - 172. doi: 10.1038 / emboj.2008.287. PMID 19194484.
6. Salje J, Gayathri P, Löwe J (2005). Системи ParMRC: молекулярні механізми plasmid segregation by actin-like filaments. Cell 120. с. 577-86. doi: 10.1016/j.cell.2005.02.026. PMID 15766522.
7. Taoka A, Asada R, Wu LF, Fukumori Y (2007). Полімеризація активного білка білка MamK, який є поєднаною з magnetosomes. J Bacteriol 189. с. 8737-40. doi: 10.1128/JB.00899-07. PMID 17905974.
8. Thanbichler M, Shapiro L (2008). Getting organized — як bacterial cells move proteins and DNA. Nat Rev Microbiol 6. с. 28-40. doi: 10.1038/nrmicro1795. PMID 18059290.
9. Pogliano J. (" The bacterial cytoskeleton." Curr Opin Cell Biol 20. с. 19-27. doi: 10.1016/j.ceb.2007.12.006. PMID 18243677.
10. Erickson HP, Anderson DE, Osawa M (2010). FtsZ в Bacterial Cytokinesis: Cytoskeleton і Force Generator All in One. Microbiol Mol Biol Rev 74. с. 504-28. doi: 10.1128/MMBR.00021-10. PMID 21119015.
11. Лі Z, Trimble MJ, Brun YV, Jensen GJ (2007). Структура FtsZ filaments in vivo suggests force-generating role in cell division. EMBO J 26. с. 4694-708. doi: 10.1038/sj.emboj.7601895. PMID 17948052.

План:

Вступ

• 1 Цитоскелет еукаріотів
  • 1.1 Актинові філаменти (мікрофіламенти)
  • 1.2 Проміжні філаменти
  • 1.3 Мікротрубочки
• 2 Цитоскелет прокаріот
  • 2.1 Бактеріальні гомологи актину
    • 2.1.1 MreB та його гомологи
    • 2.1.2 ParM
    • 2.1.3 MamK
  • 2.2 Гомологи тубуліна
    • 2.2.1 FtsZ
    • 2.2.2 BtubA/B
  • 2.3 Кресцентин, гомолог білків проміжних філаментів
  • 2.4 MinD та ParA
Примітки

Вступ

Цитоскелет еукаріотів. Актинові мікрофіламенти пофарбовані в червоний, мікротрубочки - зелений, ядра клітин - блакитний колір.

Цитоскелет- це клітинний каркас чи скелет, що у цитоплазмі живої клітини. Він присутній у всіх клітинах як у еукаріотів, так і у прокаріотів. Це динамічна структура, що змінюється, в функції якої входить підтримка та адаптація форми клітини до зовнішніх впливів, екзо- та ендоцитоз, забезпечення руху клітини як цілого, активний внутрішньоклітинний транспорт і клітинний поділ.

Кератинові проміжні філаменти у клітині.

Цитоскелет утворений білками. У цитоскелеті виділяють кілька основних систем, званих або за основними структурними елементами, помітними при електронно-мікроскопічних дослідженнях (мікрофіламенти, проміжні філаменти, мікротрубочки), або за основними білками, що входять до їх складу (актин-міозинова система, кератини, тубулін-дінеїнова) ).

1. Цитоскелет еукаріотів

Клітини еукаріотів містять три типи так званих філаментів. Це супрамолекулярні, протяжні структури, що складаються з білків одного типу, подібні до полімерів. Різниця полягає в тому, що в полімерах зв'язок між мономерами ковалентна, а у філаментах зв'язок складових одиниць забезпечується за рахунок слабкої нековалентної взаємодії.

1.1. Актинові філаменти (мікрофіламенти)

Порядку 7 нм у діаметрі, мікрофіламенти є два ланцюжки з мономерів актину, закручені спіраллю. В основному вони сконцентровані у зовнішньої мембрани клітини, оскільки відповідають за форму клітини та здатні утворювати виступи на поверхні клітини (псевдоподії та мікроворсинки). Також вони беруть участь у міжклітинній взаємодії (утворенні адгезивних контактів), передачі сигналів і разом з міозином - у м'язовому скороченні. За допомогою цитоплазматичних міозинів мікрофіламентами може здійснюватися везикулярний транспорт.

1.2. Проміжні філаменти

Діаметр проміжних філаментів становить від 8 до 11 нанометрів. Вони складаються з різного роду субодиниць і є найменш динамічною частиною цитоскелету.

Схема, що показує цитоплазму, разом із її компонентами (чи органелами), у типовій тваринній клітині. Органели:
(1) Ядрішко
(2) Ядро
(3) рибосома (маленькі точки)
(4) Везикула
(5) шорсткий ендоплазматичний ретикулум (ER)
(6) Апарат Гольджі
(7) Цитоскелет
(8) Гладкий ендоплазматичний ретикулум
(9) Мітохондрія
(10) Вакуоль
(11) Цитоплазма
(12) Лізосома
(13) Центріоль та Центросома

1.3. Мікротрубочки

Мікротрубочки є порожнистими циліндрами близько 25 нм діаметром, стінки яких складені з 13 протофіламентів, кожен з яких представляє лінійний полімер з димеру білка тубуліна. Димер складається з двох субодиниць - альфа-і бета-форми тубуліна. Мікротрубочки - дуже динамічні структури, що споживають ГТФ у процесі полімеризації. Вони відіграють ключову роль у внутрішньоклітинному транспорті (служать «рейками», якими переміщуються молекулярні мотори - кінезин і дінеїн), утворюють основу аксонеми унділіподій і веретено поділу при мітозі і мейозі.

2. Цитоскелет прокаріотів

Довгий час вважалося, що цитоскелет мають лише еукаріоти. Однак із виходом у 2001 році статті Jones та співавт. (PMID: 11290328), що описує роль бактеріальних гомологів актину в клітинах Bacillus subtilis, розпочався період активного вивчення елементів бактеріального цитоскелета На цей час знайдено бактеріальні гомологи всіх трьох типів елементів цитоскелета еукаріотів - тубуліна, актину та проміжних філаментів. Також було встановлено, що, як мінімум, одна група білків бактеріального цитоскелета, MinD/ParA, не має еукаріотичних аналогів.

2.1. Бактеріальні гомологи актину

До найбільш вивчених актиноподібних компонентів цитоскелета відносяться MreB, ParM та MamK.

2.1.1. MreB та його гомологи

Білки MreB та його гомологи є актиноподібними компонентами цитоскелета бактерій, які відіграють важливу роль у підтримці форми клітини, сегрегації хромосом та організації мембранних структур. Деякі види бактерій, такі як Escherichia coli, мають лише один білок MreB, тоді як інші можуть мати 2 і більше MreB-подібних білків. Прикладом останніх є бактерія Bacillus subtilis, У якої були виявлені білки MreB, Mbl ( M re B-l ike) та MreBH ( MreB h omolog).

У геномах E. coliі B. subtilisген, який відповідає за синтез MreB, знаходиться в одному опероні з генами білків MreC і MreD. Мутації, що пригнічують експресію даного оперону, призводять до утворення клітин сферичної форми зі зниженою життєздатністю.

Субодиниці білка MreB утворюють філаменти, що обвивають паличкоподібну бактеріальну клітину. Вони розміщуються на внутрішній поверхні цитоплазматичної мембрани. Філаменти, що утворюються MreB, динамічні, постійно зазнають полімеризації та деполімеризації. Безпосередньо перед розподілом клітини MreB концентрується в ділянці, в якій формуватиметься перетяжка. Вважається, що функцією MreB також є координація синтезу муреїну - полімеру клітинної стінки.

Гени, які відповідають за синтез гомологів MreB, були виявлені тільки у паличкоподібних бактерій і не були знайдені у коків.

2.1.2. ParM

Білок ParM є присутнім у клітинах, що містять малокопійні плазміди. Його функція полягає у розведенні плазмід по полюсах клітини. При цьому субодиниці білка формують філаменти, витягнуті вздовж великої осі паличкоподібної клітини.

Філамент за своєю структурою є подвійною спіралью. Зростання філаментів, що утворюються ParM, можливе з обох кінців, на відміну від актинових філаментів, що ростуть тільки на ± полюсі.

2.1.3. MamK

MamK – це актиноподібний білок Magnetospirillum magneticumвідповідає за правильне розташування магнітосом. Магнітосоми є вп'ячуванням цитоплазматичної мембрани, що оточують частинки заліза. Філамент MamK виконує роль напрямної, вздовж якої одна за одною розташовуються магнітосоми. Без білка MamK магнітосоми розташовуються безладно по поверхні клітини.

2.2. Гомологи тубуліна

В даний час у прокаріотів знайдено 2 гомологи тубуліна: FtsZ і BtubA/B. Як і еукаріотичний тубулін, ці білки мають ГТФазну активність.

2.2.1. FtsZ

Білок FtsZ надзвичайно важливий для клітинного поділу бактерій, він знайдений практично у всіх еубактерій та архей. Також гомологи цього білка були виявлені в пластидах еукаріотів, що є ще одним підтвердженням їх симбіотичного походження.

FtsZ формує так зване Z-кільце, що виконує роль каркасу для додаткових білків клітинного поділу. Разом вони є структурою, відповідальною за утворення перетяжки (септи).

2.2.2. BtubA/B

На відміну від поширеного FtsZ, ці білки виявлені лише в бактерій роду Prostecobacter. Вони ближчі до тубуліну за своєю будовою, ніж FtsZ.

2.3. Кресцентин, гомолог білків проміжних філаментів

Білок був знайдений у клітинах Caulobacter crescentus. Його функцією є надання клітин C. crescentusформи вібріона. У разі відсутності експресії гена кресцентину клітини C. crescentusнабувають форми палички. Цікаво, що клітини подвійних мутантів, кресцентин – і MreB – мають сферичну форму.

2.4. MinD та ParA

Ці білки не мають гомологів серед еукаріотів.

MinD відповідає за положення сайту поділу у бактерій та пластид. ParA бере участь у розподілі ДНК по дочірнім клітинам.

Примітки

1. Shih Y.-L., Rothfield L. The Bacterial Cytoskeleton. //Microbiology And Molecular Biology Reviews. – 2006. – V. 70., No. 3 – pp. 729-754. PMID: 16959967 - www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=AbstractPlus&list_uids=16959967