Białka cytoszkieletu i motory molekularne

Część II · OD GENETYKI MOLEKULARNEJ DO BIOCHEMII CZŁOWIEKA ·
Aktyna jest białkiem
mikrofilamentarnym wykazującym
aktywność ATPazową
Ryc. 10.3. Wrodzona erytrodermia z rybią łuską spowodowana mutacją keratyny. (Dzięki uprzejmości Wellcome
Medical Photographic Library, nr N0004663C).
Podwyższoną ekspresję K6 i K16 obserwuje się
w uszkodzeniach skóry z hiperprloliferacją, jak
np. pęcherzyca albo łuszczyca. Ekspresja tych keratyn ułatwia migrację keratynocytów w obrębie
zranienia.
Filamenty pośrednie odrywają także pewną rolę
w niektórych chorobach nowotworowych. Komórki
Reed-Sternberga (cytologiczny marker chłoniaka
Hodgkina) dokonują nadekspresji restyny, podczas
gdy rozwój raka jelita grubego jest związany z mutacją MCC (mutated in colorectal carcinoma). Niektóre przypadki stwardnienia zanikowego bocznego
(amyotrophic lateral sclerosis) mogą być spowodowane mutacjami dotyczącymi neurofilamentów.
Mikrofilamenty aktynowe są najlepiej znane jako
tworzywo cienkich miofilamentów. W rzeczywistości białko to występuje powszechnie. Spolimeryzowane makromolekuły aktynowe tworzą około
10-20% białek. Większość ważnych molekuł odpowiedzialnych za kształtowanie architektury komórek jest wiązana przez aktynę, co sprawia, że ta ostatnia jest niezwykle ważna w kontekście determinacji
morfologii komórkowej (ryc. 10.4). Produkt genu
beta aktyny ze względu na jego wszechobecną ekspresję traktowany jest jako tzw. gen odnośnikowy
w trakcie wykonywania eksperymentów genetycznych. Tak jak tubulina jest główną białkową
składową rzęski, aktyna stanowi kluczowy element budulcowy kosmków jelitowych. Niemniej
jednak obydwa typy białek różnią się znacznie
pod wieloma względami. Po pierwsze – stabilizacja filamentów aktynowych jest zależna raczej od
ATP, a nie GTP. Po drugie – mikrofilamenty istnieją jako gmatwanina krzyżowo powiązanych
białek, a nie dyskretna struktura tubularna. Polimeryzacja aktyny odbywa się w dwóch etapach:
pierwszy to nukleacja (etap limitujący szybkość
procesu polimeryzacji), kolejny to elongacja – ten
etap prowadzi do zaangażowania w polimeryzację
rozmaitych izoform aktyny.
Ryc. 10.4. Koordynacja zdarzeń wewnątrzkomórkowych prowadzona przez białka cytoszkieletu.
250
Rozdział 10 · BIAŁKA CYTOSZKIELETU I MOTORY MOLEKULARNE ·
1. Nukleacja rozpoczyna się jako zależna od wysokiego stężenia soli zmiana konfiguracji (konformacji) globularnej (monomerycznej) formy
G-aktyny. Ta odmiana aktyny to około 50% aktyny komórkowej.
2. W drugim etapie aktyna G jest konwertowana do
spolimeryzowanej formy aktyny.
Istnieje przynajmniej 6 izoform aktyny kodowanych przez odrębne geny. Polimery mikrofilamentów aktyny F są stabilizowane przez jony wapnia i
ADP, podczas gdy forma niespolimeryzowana jest
stabilizowana przez jony magnezu i ATP. Stopień
konwersji zależny jest od aktywności ATPazowej
molekuł aktynowych, występujących wokół i w obrębie określonego mikrofilamentu. W związku z tym,
że aktyna połączona z ATP wykazuje wyższe powinowactwo do zakończeń filamentów, elongacja polimerów aktyny jest ATP-zależna (ryc. 10.5). W niektórych systemach eksperymentalnych deformacja komórkowa jest związana z defosforylacją tyrozyn występujących w obrębie aktyn.
Zachowania aktyny są regulowane przez białka
wiążące aktynę. Monomeryczne formy G aktyny są
wiązane poprzez małe białko o masie cząsteczkowej około 15 kDa, nazywane profiliną. Profilina stabilizuje aktynę w formie monomerycznej. Spolimeryzowane filamenty aktynowe ulegają rozdziałowi
pod wpływem żelzoliny. Inne białko wiążące się
z aktyną to wilina, która uczestniczy zarówno w katalizowaniu polimeryzacji F-aktyny, jak i rozrywaniu polimerów aktyny, przyczyniając się w ten sposób do utrzymania dynamicznej architektury mikrokosmków w komórkach jelit. W niemięśniowych
typach komórek aktyna jest rozdzielona pod wpływem żelzoliny i wiliny, i wpływa na relaksacyjną
zmianę kształtu komórki, umożliwiając w ten sposób
fagocytozę i mobilność komórki. Wpływ żelzoliny wynika przede wszystkim z możliwości tzw. czapeczkowania (capping) – wiązania tego białka do tzw. rosnącego
końca filemantu aktynowego, czemu towarzyszy terminacja polimeryzacji. Tymozyna beta 4 to inne biało
wiążące aktynę. Tymozyna porządkuje komórkowe za-
Ryc. 10.5. Transformowanie aktyny w wyniku fosforyla-
cji i polimeryzacji. Katalizowana przez ATPazę hydroliza
ATP inicjuje polimeryzację monomerycznej formy aktyny (aktyny F).
soby monomerów aktynowych w sposób precyzyjny,
zapobiegając spontanicznej polimeryzacji aktyny.
ASPEKTY KLINICZNE
Aktyna w chorobach człowieka
Aktyna jest produktem tzw. genu metabolizmu
podstawowego (housekeeping gene) a jej udział zaobserwowano w kilku chorobach człowieka.
1. W wyniku masywnych uszkodzeń tkanek dochodzi do uwolnienia dużych ilości aktyny F i
aktyny G do krążenia, co prowadzi do indukowanych mikrofilamentami zatorów naczyniowych. Zatory te mogą prowadzić nawet do stanów zagrożenia życia w przypadku szoku septycznego, malarii, piorunującej martwicy
wątroby.
2. Powstanie krążących autoprzeciwciał w przypadku przewlekłego zapalenia wątroby (przeciwciała przeciwko mięśniom gładkim) lub zespołu pourazowego serca (przeciwciała przeciwko komórkom mięśnia sercowego) może
być związane z uwolnieniem do krążenia dużych ilości aktyny występującym po uszkodzeniu tkanek.
3. Nieprawidłowe rozrywanie filamentów aktynowych w związku z mutacją punktową żelzoliny występuje w przypadku rodzinnej amyloidozy typu fińskiego.
4. Zdolność żelzoliny do rozrywania filamentów
aktynowych może mieć znaczenie terapeutyczne w mukowiscydozie, gdzie wysoki poziom
filamentów aktynowych wydzielanych w trakcie trawienia powoduje niewydolność trzustki.
Zależny od aktyny ruch komórkowy jest zazwyczaj osiągnięty w wyniku formowania kolca (spike,
równoległe filamenty, filopodia) albo kartki (ortogonalne filamenty: lamelliopodia). Wydłużanie lameliopodiów jest przyśpieszane za pośrednictwem
tymozyny beta 4 (patrz powyżej), przez co dochodzi
do ułatwienia migracji komórkowej. W odniesieniu
do tego aspektu, nadekspresja tymozyny beta 4 jest
związana z metastazą komórek nowotworowych.
W przypadku bakterii Yersinia pestis – czynnika
zakaźnego dżumy, zdolność do kolonizowania narządów układu odpornościowego jest osiągana w
wyniku wyrzutu zewnątrzkomórkowych białek Yop
bakterii Yersinia, w tym białka YopE, będącego cytotoskyną depolimeryzującą mikrofilamenty aktynowe. Białko YopE ulega nadekspresji w wyniku kontaktu bakterii z komórkami gospodarza (ryc. 10.6).
Wrodzone zaburzenia w rozwoju układu nerwowego określone mianem zespołu Williamsa powstają wielokrotnie w konsekwencji niedoboru
enzymu powodującego fosforylację kofiliny (patrz
poniżej).
251
Część II · OD GENETYKI MOLEKULARNEJ DO BIOCHEMII CZŁOWIEKA ·
Ryc. 10.7. W zespole Wiskotta-Aldricha obserwuje się
Ryc. 10.6. Uszkodzenie cytoszkieletu aktynowego wywo-
łane przez zewnątrzkomórkowe białka Yop bakterii dżumy. Białko to jest wprowadzane do komórek gospodarza
za pomocą białka transmembranowego Ysc.
ASPEKTY MOLEKULARNE
WASP
Autosomalny recesywny zespół Wiskotta-Aldricha (WAS; ryc. 10.7) jest spowodowany poprzez
mutacje utraty funkcji (loss of function) dotyczące
białka WASP, które ulega selektywnej ekspresji w
komórkach linii hematopoetycznych. WASP jest
białkiem wiążącym aktynę i indukującym tworzenie ognisk adhezyjnych w makrofagach, limfocytach i płytkach krwi. W przypadku komórek wykazujących zdolności chemotaktyczne to działanie
białka WASP związane jest ze stymulacją kompleksu aktyno-pokrewnego białka Arp2/3. Komórki
zdolne do ekspresji białka WASP syntetyzują podosomosomy w odpowiedzi na bakteryjne chemoatraktanty. Te struktury adhezyjne nie występują u
pacjentów z WAS, powodując defekty w chemotaksji, a co za tym idzie – uogólniony niedobór immunologiczny.
W komórkach neuronalnych kombinacja PIP2
(fosfatydyloinozytolobisfosforan) i małego białka G
Cdc42 indukuje formowanie wypustek w konsekwencji wiązania do N-WASP, czyli białka wiążącego
profilinę i będącego homologiem białka WASP, występującego głównie w komórkach układu nerwowego. Po związaniu do Cdc42, N-WASP indukuje
depolimeryzację – odkrywając wolne, rosnące końce mikrofilamentu, co w końcowym efekcie umożliwia utworzenie długich aktynowych mikrokolców
(microspikes).
Inna fosfoproteina, kofilina, mediuje błonowe
marszczenie (rufflling) i lamoliopodialne efekty
małego białka G Rac. Zmiany te umożliwiają wytworzenie kompleksu ze spokrewnionym z WASP
białkiem WAVE. [Ruffling umożliwia tworzenie
252
częste infekcje spowodowane defektami adhezji i chemotaksji komórek układu odpornościowego. (Dzięki
uprzejmości wellcome Medical Photographic Library,
nr N0005090C).
zmarszczek (ruffles) kompartmentów błony komórkowej, umożliwiających tworzenie kompleksów białek
adhezyjnych w obrębie lameliopodiów – przyp. red.].
ASPEKTY KLINICZNE
VASP i listerioza
Zjadliwość wewnątrzkomórkowej bakterii Listeria monocytogenes jest zależna od jej zdolności
do inwazji tkanek. Listeria porusza się wewnątrz
komórek, osiągając prędkość około 5 mikrometrów (jest to połowa średnicy komórki bakteryjnej)
na minutę. Ruch bakterii odbywa się dzięki aktynowemu „ogonowi rakietowemu” (rocket tail) napędzanemu przez białka gospodarza. W momencie kiedy bakteria dociera do błony komórkowej,
formowane są filopodia.
W jaki sposób Listeria podporządkowuje sobie maszynerię gospodarza? Białko wiążące aktynę, profilina, ulega koncentracji w tych częściach komórki,
gdzie filamenty aktynowe ulegają rekrutacji do bogatego w prolinę białka wiążącego profilinę VASP (vasodilator-stimulated phosphoprotein). Kluczowe dla zjadliwości bekterii Listeria jest białko ActA, wiążące VASP
i ulegające ekspresji na tych częściach powierzchni
bakteryjnej, gdzie formułowany jest aktynowy ogon.
Poprzez wiązanie do VASP profilina ulega rekrutacji
do tej części ściany bakterii, które zawiera ActA. To z
kolei umożliwia rozpoczęcie formowania siedliska
dla aktynowego ogona. Odpowiednie domeny białka
ActA są homologiczne do WASP, a inne do białek
cytoszkieletu zyksyny i winkuliny. To tłumaczy wiązanie ActA do kompleksu sygnalizacyjnego Arp2/3 (który włącza demontaż aktynowego filamentu) i VASP
(ryc. 10.8).