Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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).
Katanin is a microtubule severing AAA protein. It is named after the Japanese sword called a katana. Katanin is a heterodimeric protein first discovered in sea urchins. It contains a 60 kDa ATPase subunit, encoded by KATNA1, which functions to sever microtubules. This subunit requires ATP and the presence of microtubules for activation. The second 80 kDA subunit, encoded by KATNB1, regulates the activity of the ATPase and localizes the protein to centrosomes. Electron microscopy shows that katanin forms 14–16 nm rings in its active oligomerized state on the walls of microtubules (although not around the microtubule).
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.
Structural analysis using electron microscopy has revealed that microtubule protofilaments change from a straight to a curved conformation upon GTP hydrolysis of β tubulin. However, when these protofilaments are part of a polymerized microtubule, the stabilizing interactions created by the surrounding lattice lock subunits into a straight conformation, even after GTP hydrolysis. In order to disrupt these stable interactions, katanin, once bound to ATP, oligomerizes into a ring structure on the microtubule wall in some cases oligomerization increases the affinity of katanin for microtubules and stimulates its ATPase activity. Once this structure is formed, katanin hydrolyzes ATP, and likely undergoes a conformational change that puts mechanical strain on the tubulin subunits, which destabilizes their interactions within the microtubule lattice. The predicted conformational change also likely decreases the affinity of katanin for tubulin as well as for other katanin proteins, which leads to disassembly of the katanin ring structure, and recycling of the individual inactivated proteins. The severing of microtubules by katanin is regulated by protective microtubule associated proteins (MAPs), and the p80 subunit (p60 severs microtubules much better in the presence of p80). These mechanisms have different consequences, depending on where in the cell they are activated or disrupted. For example, allowing katanin mediated severing at the centrosome releases microtubules for free movement. In one experiment, anti katanin antibodies were injected into a cell, causing a large accumulation of microtubules around the centrosome and inhibition of microtubule outgrowth. Therefore, katanin mediated severing may serve to maintain organization in the cytoplasm by promoting microtubule disassembly and efficient movement. During cell division, severing at the spindle pole produces free microtubule ends and allows poleward flux of tubulin and retraction of the microtubule. Severing microtubules in the cytoplasm facilitates treadmilling and mobility, which is important during development.
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.
Katanin mediated microtubule severing is an important step in mitosis and meiosis. It has been shown that katanin is responsible for severing microtubules during M phase in Xenopus laevis. The disassembly of microtubules from their interphase structures is necessary to prepare the cell and the mitotic spindle for cell division. This regulation is indirect: MAP proteins, which protect the microtubules from being severed during interphase, dissociate and allow katanin to act. In addition, katanin is responsible for severing microtubules at the mitotic spindles when disassembly is required to segregate sister chromatids during anaphase. It was reported that Mei 1 and Mei 2 to encode similar proteins to the p60 and p80 subunits of katanin. Using antibodies, these two proteins were found to localize at the ends of microtubules in the meiotic spindle, and, when expressed in HeLa cells, these proteins initiated microtubule severing. These findings indicate that katanin serves a similar purpose in both mitosis and meiosis in segregating chromatids toward the spindle poles.
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.
Katanin is important in the development of many organisms. Both elimination and overexpression of katanin is deleterious to axonal growth, and, thus, katanin must be carefully regulated for proper neural development. In particular, severing microtubules in specific cellular spaces allows fragments to test various routes of growth. Katanin has proved necessary in this task. An experiment using time lapse digital imaging of fluorescently labeled tubulin demonstrated that axon growth cones pause, and microtubules fragment, at sites of branching during neural development. A similar experiment using fluorescently labeled tubulin observed local microtubule fragmentation in newt lung cell lamellipodia during developmental migration, in which the fragments run perpendicular to the advancing cell membrane to aid exploration. The local nature of both fragmentation events likely indicates regulation by katanin because it can be concentrated in specific cellular regions. This is supported by a study that demonstrated that the Fra2 mutation, which affects a katanin orthologue in Arabidopsis thaliana, leads to an aberrant disposition of cellulose microfibrils along the developing cell wall in these plants. This mutation produced a phenotype with reduced cell elongation, which suggests katanin's significance in development across a wide range of organisms.
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.
Katanin is known to be abundant in the nervous system and even modest levels of it can cause significant microtubule depletion. But microtubules need to be severed throughout other compartments of the neuron so that sufficient numbers of microtubules can undergo rapid transport. In the nervous system, the ratio of the two subunits is dramatically different from other organs of the body. So it is important to be able to regulate the ratio to control microtubule severing. The monomer p80 is found in all the compartments of the neuron, which means its function cannot be solely to target katanin. The p80 katanin has multiple domains with different functions. One domain targets the centrosome, another augments microtubule severing by the p60 katanin, and the last suppresses microtubule severing. The abundance of katanin in the neurons show they can move along the axon. There is breakage of microtubules at the axonal branch points and in the growth cones of the neurons. The distribution of katanin in the neuron helps understand the phenomenon for regulating microtubule length and number, as well as releasing the microtubules from the centrosome. Katanin is believed to be regulated by the phosphorylation of other proteins. Bending enhances the access of katanin to the lattice, facilitating severing. Because plant cells lack traditional centrosomes, katanin accumulates at the nuclear envelope during pre prophase and prophase, where the spindle microtubules are forming. During cell elongation, microtubules must adjust their orientation constantly to keep up with the increasing cell length. This constant change in microtubule organization was proposed to be performed by the rapid disassembly, assembly, and translocation of microtubules. Recently, mutations in the plant katanin homologue have been shown to alter transitions in microtubule organization, which, in turn, cause impairments in the proper deposition of cellulose and hemicellulose. This is presumed to be caused by the plant cell's lack of ability to regulate microtubule lengths. There is no homologue for the p80 katanin regulatory subunit. Therefore, a His tagged At p60 was made to describe its functions in plants. The His At p60 can sever microtubules in vitro in the presence of ATP. It directly interacts with microtubules in co sedimentation assays. The ATPase activity was stimulated in a non hyperbolic way. ATP hydrolysis is stimulated at a low tubulin/At p60 ratio and inhibited at higher ratios. The low ratios favor the katanin subunit interactions, whereas the high ratios show impairment. The At p60 can oligomerize like the ones in animals. The At p60 interacts directly with microtubules, whereas the animal p60 bind via their N termini. The N terminal part of p60 is not well conserved between the plant and animal kingdoms.