[albert52]

Вставка.

Цитоскелет в норме и при онкологии

Одна животная клетка обладает способностью адаптировать свою форму в ответ на ограничения окружающей среды или химические сигналы, перемещаться по тканям (искусственным и in vivo, включая узкие пространства) и делиться. Все эти процессы, по крайней мере частично, управляются сборкой - разборкой цитоскелетных белков. Для формирования множества различных цитоскелетных структур, как это наблюдается в клетках животных, цитоскелетная сеть нуждается не только в различных компонентах с различными свойствами и функциями, но также в жесткой и точной регуляции (сборке-разборке) ее компонентов, т.е. соответствующая локальная регуляция факторов (дез-)сборки и взаимодействия между сетями актина, микротрубочек и промежуточных филаментов.

В клетках актин встречается в двух различных состояниях: мономерном G-актине и нитевидном F-актине. Модуляция актинового цитоскелета регулируется балансом глобулярного G- и полимерного F-актина и актин-ассоциированными белками. Актиновый цитоскелет образует сеть, состоящую из поляризованных филаментов, которые в основном связаны с генерацией силы, необходимой для движения, фокальной адгезии и изменения формы.
Образующиеся актиновые филаменты имеют правозакрученную спиральную структуру. G-актин поляризован, поэтому F-актин также поляризован, причем менее динамичная сторона называется (-)-концом, а более динамичная (+)-конец, который имеет скорость полимеризации в десять раз выше, чем (-)- конец. Поскольку актин представляет собой АТФазу, (+)- и (-)-концы также можно различить по их АТФ/АДФ-статусу; (+)-конец содержит большее количество актина, связанного с АТФ, в то время как (-)-конец содержит больше актина, связанного с АДФ.

Профилин (Profilin) является актин-связывающим белком, который регулирует гомеостаз актина путем ингибирования спонтанного образования ди- и тримеров актина, а также катализирует переход от АДФ- к АТФ-актину. Связанный с Profilin G-actin может быть использован для построения актиновых филаментов, если присутствуют факторы нуклеации (запуска), такие как комплекс Arp2/3 (actin-related-proteins 2/3) или формины. Нуклеация – соединение трех G-актинов с инициацией полимеризации. Интересно, что если присутствуют формины и профилин, удлинение свободного актина может увеличиваться в 9 раз; профилин также ингибирует полимеризацию на (-)-конце актина.

Некоторые члены семейства форминов также перемещаются с конца филамента в середину, дополнительно функционируя в качестве сшивающих агентов для стабилизации генерируемой структуры. Поскольку формины не обязательно образуют пучки филаментов, другие белки, такие как сшивающие линкеры или Ena/VASP, также участвуют в формин-зависимом образовании пучков. Ena/VASP представляет собой семейство белков, связанных с функцией антикэппинга (кэппинг - это колпачок на конце актиновой нити) и удлинением, но не обладающих активностью нуклеации сами по себе.

Кроме квазилинейных актиновых филаментов существуют дендритные актиновые сети, образованные комплексом Arp2/3. Эти сети обычно формируются на клеточном фронте в течение короткого промежутка времени, поэтому их регуляция имеет большое значение. Генерация дендритной актиновой сети начинается с так называемого праймера - существующего актинового филамента, на котором Arp2/3 соединяется с его стороной; Arp2/3 среди прочего активируется членами семейства WASP. Для образования плотной дендритной сети необходимы не только факторы нуклеации, но и кэпирующие белки, ограничивающие удлинение актиновых (+)-концов.

Если присутствуют кэпирующие белки, комплекс Arp2/3 может генерировать множественные сети, происходящие из разных актиновых филаментов, которые способны сливаться и генерировать силы вблизи клеточной мембраны. Количество узлов важно для механических свойств генерируемой сети, причем дендритная сеть ведет себя вязкоупругой, то есть она в основном эластична в малых временных масштабах (<1 мин) и вязкая в более длительных масштабах времени (>10 мин).

Другим важным классом молекул является семейство миозинов. Миозин отвечает за сократимость антипараллельных актиновых структур, используя гидролиз АТФ в качестве источника энергии. Эти сократительные структуры в основном отвечают за ретракцию (сжатие) задней части клетки для продуктивного движения, а также за передачу сил окружающему внеклеточному матриксу. Миозин II может быть активирован посредством фосфорилирования регуляторной легкой цепи (RLC) или активации киназ легкой цепи миозина (MLCK). RLC активируется с помощью Rho-ассоциированной протеинкиназы (ROCK) или цитронкиназ (обе активируются RhoA) и MLCK (Myosin light chain kinase) с помощью Ca 2+ .

После фосфорилирования RLC миозин способен генерировать сократительные силы. Другой тип регуляции работает через фосфорилирование тяжелой цепи миозина с использованием киназ тяжелой цепи миозина (MHCK), казеинкиназы II (CKII) или протеинкиназы C (PKC), ингибируя сборку мини-филаментов или диссоциируя существующие мини-филаменты. Переключение между этими двумя состояниями активации влияет на сократимость соответствующей актомиозиновой сети.

Существуют также актиновые пучки и сети, связанные между собой кросс-линкерами. Здесь сшивающие агенты представляют собой молекулы, которые соединяют отдельные актиновые филаменты и являются либо пассивными (например, скруин, фацин, α-актинин, филамин или фимбрин), либо активными (миозин). Сшитые актиновые пучки и сети в значительной степени контролируют форму, механическую целостность и способность клетки к сокращению. Как правило, сшивающие агенты не влияют на сборку актина (за исключением Arp2/3).
Если актиновые филаменты связаны сшивателями, филаменты внутри пучка могут быть ориентированы либо параллельно, либо антипараллельно, что означает, что (+)-концы соседних филаментов указывают в том же или противоположном направлении. Механические свойства (анти-)параллельных пучков зависят от типа и плотности сшивающих агентов и, таким образом, от компактности пучка и от того, допускает ли пучок скольжение одиночных нитей. Параллельные актиновые пучки обнаруживаются среди др. в филоподиях, в то время как антипараллельные пучки в основном обнаруживаются в стрессовых волокнах.

Поскольку большинство актиновых структур стабильны во времени, клеткам необходим механизм, вызывающий разборку актина, чтобы адаптироваться к сигналам окружающей среды. Один из таких механизмов управляется семейством актин-связывающих белков ADF/cofilin, способных разбирать и фрагментировать актиновые филаменты, но не способных изменять скорость полимеризации. Предпочтение более старого актина, связанного с АДФ, подразумевает, что разборка с АДФ/кофилином в основном затрагивает неактивные компартменты актиновой сети.

Глядя на подвижную клетку, чистое движение является результатом множества, в основном актин-зависимых, процессов, а именно: образование выпячиваний в направлении движения, последующая адгезия к субстрату и потеря адгезии на задней части клетки с последующим сокращением. Эти процессы регулируются субклеточными структурами, такими как филоподии и ламеллиподии, регулирующие движение клеток, в то время как стрессовые волокна обеспечивают механическую стабильность и способность к сокращению. Другими типами выпячиваний являются так называемые пузырьки, которые способны регулировать движение клеток независимо от филоподий и ламеллиподий.

Ламеллиподия представляет собой плоскую структуру, в основном связанную с движением клеток, образующуюся в результате полимеризации актина на клеточном фронте, в то время как она деполимеризуется в своей задней части под действием АДФ/кофилина, восполняющего пул G-актина.Наиболее важным фактором образования ламеллиподия является внутренне неактивный комплекс Arp2/3, который активируется комплексом Scar/WAVE в процессе активации небольшой Rho GTPase Rac1 (см. выше). Этому дополнительно способствует присутствие членов семейства Ena/VASP, аккумулирующихся на кончиках ламеллиподий, способствуя дальнейшему удлинению актина и предотвращая кэпирование.

Несмотря на активный комплекс Arp2/3, кэпирующий белок также необходим для ограничения удлинения одиночных филаментов, чтобы они оставались продуктивными и не образовывали пучки с другими некэпированными филаментами или изгибались под нагрузкой.
Для создания стабильной дендритной сети ее сшивают такими белками, как кортактин. Поскольку описанная регуляция с помощью Rac1 приводит к постоянному росту ламеллиподия, она должна быть ограничена петлей отрицательной обратной связи. Одним из возможных механизмов является белок arpin, который ингибирует активность Arp2/3 в ламеллиподии. Было предположено, что arpin рекрутируется с помощью Rac1, т.о., кажется возможным, что активация Rac1 инициирует рост ламеллиподия за счет быстрого рекрутирования Arp2/3 и последующей полимеризации актина, а позже ингибирует его рост за счет рекрутирования arpin.

Помимо динамики актина на ламеллиподию также влияет клеточная мембрана и ее поверхностное натяжение. Более высокое поверхностное натяжение мембран приводит к более ориентированной полимеризации актиновых филаментов, в то время как более низкое натяжение приводит к большему количеству выпячиваний.

Дополнительными структурами, связанными с подвижностью клеток, являются филоподии, которые образуют структуру, состоящую из параллельных пучков актина, причем их (+) -концы направлены в направлении клеточной мембраны. Эта ориентация устанавливается с помощью форминов (например, FMNL2) и Ena/VASP, которые способны поддерживать длительную полимеризацию актина. Затем стабилизация и связывание сшивающими агентами, такими как fascin, генерирует "зрелые" филоподии. Помимо своей роли в клеточном движении, филоподии инициируют межклеточные контакты, передают межклеточные сигналы и реагируют на механические свойства своего окружения.