Кіріспе

Катанин – микротүтіктерді бөліп кесетін AAA протеині. Оның аты жапондық катана қылышынан алынған. Катанин – теңіз кірпілерінде алғаш рет табылған гетеродимерлі протеин. Оның құрамында 60 кДа АТФаза кішібірлігі бар, ол KATNA1 генімен кодталады және микротүтіктерді кесуге қатысады. Бұл кішібірлік белсендірілу үшін АТФ-ты және микротүтіктердің болуын қажет етеді. Екінші 80 кДа кішібірлігі KATNB1 генімен кодталады, ол АТФазаның активтілігін реттейді және протеиннің центросомаларға орналасуын қамтамасыз етеді. Электрондық микроскопия көрсеткендей, катанин белсенді олигомерленген күйде микротүтіктердің қабырғаларында 14–16 нм сақиналар құрайды (бірақ микротүтіктің өзінің айналасында емес).

Микротүбіршектердің ұзындығын реттеу және механизмі

Электрондық микроскопияны қолдану арқылы жүргізілген құрылымдық талдау, β-тубулиннің GTP гидролизі кезінде микротубула протофиламенттерінің түзу пішімнен иісті пішімге өзгеретінін көрсетті. Алайда, егер бұл протофиламенттер полимерленген микротубуланың құрамында болса, айналасындағы тордың тұрақтандыратын өзара әрекеттесулері, тіпті GTP гидролизінен кейін де, кішібірліктерді түзу пішімде ұстап тұрады. Осы тұрақты өзара әрекеттесулерді бұзу үшін катанин, АТФ-қа байланысқаннан кейін, микротубула қабырғасында сақина тәрізді құрылымға олигомеризацияланады. Кейбір жағдайларда олигомеризация катаниннің микротубулаларға деген туыстығын арттырады және оның АТФаза активтілігін күшейтеді. Бұл құрылым қалыптасқаннан кейін, катанин АТФ-ты гидролиздейді және, мүмкін, тубулин кішібірліктеріне механикалық кернеу тудыратын конформациялық өзгеріске ұшырайды, бұл микротубула торындағы өзара әрекеттесулерін тұрақсыздандырады. Болжамды конформациялық өзгеріс катаниннің тубулинге, сондай-ақ басқа катанин ақуыздарына деген туыстығын азайтады, нәтижесінде катанин сақинасының ыдырауы және жеке инактивацияланған ақуыздардың қайта пайдалануы жүреді. Микротубулаларды катанинмен бөлу, микротубулаларды қорғайтын байланысқан ақуыздар (MAP) арқылы реттеледі, ал p80 кішібірлігі (p60, p80 қатысуымен микротубулаларды әлдеқайда тиімді бөледі). Бұл механизмдер жасушада қай жерде белсендірілгеніне немесе бұзылғанына байланысты әртүрлі салдарларға әкеледі. Мысалы, центросомада катанинмен бөлу, микротубулалардың еркін қозғалуына мүмкіндік береді. Бір тәжірибеде антикатанин антиденелері жасушаға енгізіліп, центросоманың айналасында микротубулалардың көп жиналуына және микротубулалардың өсуінің тежелуіне себеп болды. Сондықтан, катанинмен бөлу, микротубулалардың ыдырауы мен тиімді қозғалысын ынталандыру арқылы цитоплазмадағы ұйымды сақтауға көмектеседі. Жасуша бөліну кезінде оралым полюсінде бөлу, бос микротубула ұштарын жасайды және тубулиннің полюске қарай ағынын, сондай-ақ микротубуланың кері тартылуын қамтамасыз етеді. Цитоплазмадағы микротубулаларды бөлу, жүгіруге және жылдамдыққа көмектеседі, бұл даму кезінде маңызды.

Жасушаның бөлінуіндегі рөлі

Катанин арқылы жүзеге асырылатын микротубуланың үзілуі митоз бен мейоздың маңызды қадамы болып табылады. Катаниннің Xenopus laevis-тің M фазасында микротубулаларды кесуге жауапты екені көрсетілген. Микротубулаларды олардың интерфазалық құрылымдарынан ажырату, жасушаны және митоздық шпинделін жасуша бөлінуіне дайындау үшін қажет. Бұл реттелу тікелей емес: интерфаза кезінде микротубулаларды үзілуден қорғайтын МАП ақуыздары диссоциацияланып, катанинге әрекет етуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, катанин анафаза кезінде бауырлас хроматидтерді бөлу үшін бөлшектеу қажет болғанда митоздық шпинделіндегі микротубулаларды кесуге жауапты. Mei 1 және Mei 2 катаниннің p60 және p80 кішібірліктеріне ұқсас ақуыздарды кодтайтыны хабарланды. Антиденелерді пайдалану арқылы бұл екі ақуыз мейоздық шпинделіндегі микротубулалардың ұштарында орналасқаны анықталды, ал HeLa жасушаларында экспрессияланғанда бұл ақуыздар микротубуланың үзілуін бастады. Бұл тұжырымдар катаниннің митоз бен мейоздың екеуінде де хроматидтерді шпиндель полюсіне қарай бөлуде ұқсас мақсатқа қызмет ететінін көрсетеді.

Дамудағы рөлі

Катанин көптеген организмдердің дамуында маңызды рөл атқарады. Катаниннің жойылуы да, артық өрнектелуі де аксондардың өсуіне зиян келтіреді, сондықтан дұрыс жүйке дамуы үшін катанинге мұқият қадағалау қажет. Атап айтқанда, микротүтіктерді белгілі бір жасушалық кеңістіктерде кесу фрагменттерге өсудің әртүрлі жолдарын сынауға мүмкіндік береді. Катанин осы міндетте қажетті екенін дәлелдеді. Флуоресцентті таңбаланған тубулиннің уақыт өте келе түсірілген бейнелеуін қолданған эксперимент аксон өсу конусының тоқтағанын және нейрон дамуы кезінде тармақталу орындарында микротүтіктердің фрагменттерге бөлінетінін көрсетті. Флуоресцентті таңбаланған тубулин қолданылған ұқсас экспериментте жаңағылардың өкпе жасушаларының ламеллиподияларында даму кезіндегі қозғалыс барысында жергілікті микротүтіктердің фрагменттерге бөлінуі байқалды, онда фрагменттер зерттеуге көмектесу үшін клетка мембранасына перпендикуляр бағытталған. Екі фрагменттелу оқиғасының жергілікті сипаты катанинмен реттелуі мүмкін, өйткені ол белгілі бір жасушалық аймақтарда жинақталуы мүмкін. Бұл Arabidopsis thaliana-дағы катанин ортологына әсер ететін Fra2 мутациясының зерттеуімен расталды, ол бұл өсімдіктердегі жасуша қабырғасы бойындағы целлюлоза микрофибрилдерінің бұрмалануына әкелді. Бұл мутация жасушалардың ұзындығының қысқаруына әкелетін фенотипті тудырды, бұл катаниннің көптеген организмдердің дамуындағы маңыздылығын көрсетеді.

Нейрондардағы қызмет

Қатанин жүйке жүйесінде көптеп кездеседі және оның тіпті шамалы мөлшері микротубульдердің айқын азаюына әкелуі мүмкін. Бірақ микротубульдерді нейронның басқа бөліктерінде де бөліп алу қажет, осылайша микротубульдердің жеткілікті саны жылдам тасымалдана алады. Жүйке жүйесінде осы екі суббөлімнің арақатынасы дене мүшелерінен күрт өзгеше. Сондықтан микротубульдердің бөлінуін бақылау үшін арақатынасты реттеу маңызды. Мономер р80 нейронның барлық бөліктерінде табылады, демек оның функциясы қатанинге ғана бағытталмаған. P80 қатанинінің әртүрлі функциялары бар бірнеше домендері бар. Бір домен центросоманы бағыттайды, екіншісі p60 қатанині арқылы микротубульдердің бөлінуін күшейтеді, ал үшіншісі микротубульдердің бөлінуін тежейді. Нейрондардағы қатаниннің көп болуы олардың аксон бойымен қозғала алатынын көрсетеді. Микротубульдер аксон тармақтарында және нейрондардың өсу конустарында үзіледі. Нейрондағы қатаниннің таралуы микротубульдердің ұзындығы мен санын реттеу, сондай-ақ микротубульдерді центросомадан босату механизмін түсінуге көмектеседі. Қатаниннің басқа белоктардың фосфорилирленуі арқылы реттелетіні айтылады. Иілу қатаниннің торға қол жеткізуін жақсартады, бөлінуді жеңілдетеді. Өсімдік жасушаларында дәстүрлі центросомалар болмағандықтан, қатанин ядролық қабықта препрофаза мен профаза кезінде жиналады, онда шпиндельдік микротубульдер қалыптасады. Жасушалардың созылуы кезінде микротубульдерлер жасуша ұзындығының өсуіне сәйкес бағыттарын үнемі өзгертіп отыруы керек. Микротубульдер ұйымдастырылуындағы тұрақты өзгерістер микротубульдердің жылдам бөлшектенуі, құрастырылуы және жылжуы арқылы жүзеге асырылады деп ұсынылған. Жақында өсімдік қатанинінің гомологындағы мутациялар микротубульдік ұйымдастырудағы өзгерістерге әкелетіні көрсетілді, бұл өз кезегінде целлюлоза мен гемицеллюлозаның дұрыс жинақталуына кедергі келтіреді. Бұл өсімдік жасушасының микротубульдер ұзындығын реттеу қабілетінің жетіспеуінен туындаған деп есептеледі. P80 қатанині реттеуші суббөліміне гомолог жоқ. Сондықтан оның өсімдіктердегі функцияларын сипаттау үшін His белгіленген At p60 жасалды. His At p60 АТФ қатысуымен микротубульдерді in vitro жарып шығара алады. Ол коседаментация тәжірибелерінде микротубульдермен тікелей өзара әрекеттеседі. АТФ-аза қызметі гиперболалық емес жолмен стимулдалады. АТФ гидролизі төмен тубулин/At p60 қатынасында стимулдалады және жоғары қатынаста тежеледі. Төмен қатынастар қатанин суббөлімдерінің өзара әрекеттесуін жақсартады, ал жоғары қатынастар бұзылуды көрсетеді. At p60 жануарлардағыдай олигомерлене алады. At p60 тікелей микротубульдермен өзара әрекеттеседі, ал жануар p60 олардың N-терминалдары арқылы байланысады. P60-ның N-терминалды бөлігі өсімдіктер мен жануарлар әлемі арасында толық сақталмаған.