Введение
Суперсемейство моторных белков
Миозины (/'m//aɪ//ə//s//ᵻ//n//, // //oʊ// /) – это суперсемейство моторных белков, наиболее известных своей ролью в сокращении мышц и широком спектре других процессов подвижности у эукариот. Они АТФ-зависимы и отвечают за подвижность, основанную на актине. Первый миозин (M2) был обнаружен в 1864 году Вильгельмом Кюне. Кюне выделил из скелетных мышц вязкий белок, который, по его мнению, отвечал за поддержание напряжения в мышцах. Он назвал этот белок миозином. Этот термин был расширен, чтобы включать группу сходных АТФаз, обнаруженных в клетках как полосатой, так и гладкой мышечной ткани. После открытия в 1973 году ферментов с миозиноподобной функцией в Acanthamoeba castellanii был обнаружен широкий спектр дивергентных генов миозина во всем царстве эукариот. Хотя изначально считалось, что миозин ограничен мышечными клетками (отсюда мио(с) + ин), не существует единого "миозина"; это, скорее, очень большое суперсемейство генов, продукты которых обладают основными свойствами: связывание с актином, гидролиз АТФ (ферментативная активность АТФазы) и преобразование энергии в механическую работу. Практически все эукариотические клетки содержат изоформы миозина. Некоторые изоформы выполняют специализированные функции в определенных типах клеток (например, в мышечных клетках), в то время как другие изоформы распространены повсеместно. Структура и функция миозина глобально сохраняются у разных видов, настолько, что мышечный миозин II кролика связывается с актином из амебы.
Домены
Большинство молекул миозина состоят из головного, шейного и хвостового доменов. Головной домен связывается с филаментами актина и использует гидролиз АТФ для генерации силы и "передвижения" вдоль филамента к плюсовому (+) концу (за исключением миозина VI, который движется к минусовому (-) концу). Шейный домен действует как линкер и как рычаг для передачи силы, генерируемой каталитическим моторным доменом. Шейный домен также может служить местом связывания легких цепей миозина – различных белков, входящих в состав макромолекулярного комплекса и обычно выполняющих регуляторные функции. Хвостовой домен обычно опосредует взаимодействие с молекулами груза и/или другими субъединицами миозина. В некоторых случаях хвостовой домен может играть роль в регуляции моторной активности.
Мощный ход
Множественные молекулы миозина II генерируют силу в скелетной мышце посредством механизма рабочего хода, обеспечиваемого энергией, высвобождаемой при гидролизе АТФ. Рабочий ход происходит при отщеплении фосфата от молекулы миозина после гидролиза АТФ, когда миозин прочно связан с актином. Результатом этого отщепления является конформационное изменение в молекуле, которое тянет актин. Отщепление молекулы АДФ приводит к так называемому состоянию ригора миозина. Связывание новой молекулы АТФ приводит к отсоединению миозина от актина. Гидролиз АТФ внутри миозина вызывает его повторное связывание с актином для повторения цикла. Совокупный эффект множества рабочих ходов вызывает сокращение мышцы.
Номенклатура, эволюция и генеалогическое древо
Широкое разнообразие генов миозина, обнаруженное во всех типах эукариот, получило названия в соответствии с различными схемами по мере их открытия. Поэтому номенклатура может быть несколько запутанной при попытке сравнить функции белков миозина внутри и между организмами. Скелетный мышечный миозин, наиболее заметный представитель суперсемейства миозинов благодаря его обильности в мышечных волокнах, был открыт первым. Этот белок является частью саркомера и образует макромолекулярные филаменты, состоящие из множества субъединиц миозина. Подобные филаментообразующие миозиновые белки были обнаружены в сердечной мышце, гладкой мышце и немышечных клетках. Однако, начиная с 1970-х годов, исследователи начали обнаруживать новые гены миозина в простых эукариотах, которые были найдены во многих тканях, помимо мышечной. Эти новые члены суперсемейства были сгруппированы в соответствии с филогенетическими взаимосвязями, полученными на основе сравнения последовательностей аминокислот их головных доменов, при этом каждому классу присваивается римская цифра (см. филогенетическое дерево). Нетрадиционные миозины также имеют различные хвостовые домены, что указывает на уникальные функции. Разнообразный современный набор миозинов, вероятно, эволюционировал от общего предка (см. рисунок). Анализ аминокислотных последовательностей различных миозинов показывает значительную изменчивость хвостовых доменов, но сильное сохранение последовательностей головных доменов. Вероятно, это позволяет миозинам взаимодействовать через свои хвосты с большим количеством различных грузов, в то время как цель в каждом случае – перемещение вдоль актиновых филаментов – остается неизменной и, следовательно, требует одного и того же механизма в двигателе. Например, геном человека содержит более 40 различных генов миозина. Эти различия в форме также определяют скорость, с которой миозины могут перемещаться вдоль актиновых филаментов. Гидролиз АТФ и последующее высвобождение фосфатной группы вызывают "рабочий ход", при котором область "рычага" или "шейки" тяжелой цепи перемещается вперед. Поскольку рабочий ход всегда перемещает рычаг под одним и тем же углом, длина рычага определяет смещение груза относительно актинового филамента. Более длинный рычаг заставит груз пройти большее расстояние, даже если рычаг претерпевает то же угловое смещение – как человек с более длинными ногами может пройти большее расстояние с каждым шагом. Скорость миозинового двигателя зависит от скорости прохождения полного кинетического цикла от связывания АТФ до высвобождения АДФ.
Миозин I
Миозин I, повсеместно встречающийся клеточный белок, функционирует как мономер и участвует в транспорте везикул. Его длина шага составляет 10 нм, и он предположительно играет роль в адаптационном ответе стереоцилий внутреннего уха.
Миозин II
Миозин II (также известный как обычный миозин) – это тип миозина, ответственный за обеспечение мышечного сокращения в мышечных клетках большинства типов клеток животных. Он также встречается в немышечных клетках в сократимых пучках, называемых стресс-волокнами. Миозин II содержит две тяжелые цепи, каждая длиной около 2000 аминокислот, которые формируют головные и хвостовые домены. Каждая из этих тяжелых цепей содержит N-концевой головной домен, в то время как C-концевые хвосты приобретают структуру скрученной катушки, удерживая две тяжелые цепи вместе (представьте себе двух змей, обвившихся друг вокруг друга, как на кадуцее). Таким образом, миозин II имеет две головки. Промежуточный шейный домен – это область, создающая угол между головкой и хвостом. В гладкой мускулатуре один ген (MYH11) кодирует тяжелые цепи миозина II, но сплайс-варианты этого гена приводят к образованию четырех различных изоформ. Фильм начинается с миозина II в 10S-конформации со свернутым хвостовым доменом, заблокированной и свободной головкой. В фильме схематично изображено разворачивание хвоста и последующая активная 6S-конформация, за которой следует повторное сворачивание хвоста в 10S-конформацию. Иллюстрация является концептуальной: переходные состояния и диффузионные движения, связанные со сворачиванием/разворачиванием, не показаны. МЛК20 также известен как регуляторная легкая цепь и активно участвует в мышечном сокращении. Производящие силу головные домены выступают сбоку от толстого филамента, готовые перемещаться вдоль соседних тонких филаментов на основе актина в ответ на соответствующие химические сигналы и могут находиться либо в автоингибированном, либо в активном состоянии. Баланс/переход между активным и неактивным состояниями подвержен интенсивному химическому регулированию.
Миозин III
Миозин III — малоизученный представитель семейства миозинов. Он был исследован in vivo в глазах дрозофилы, где предположительно играет роль в фототрансдукции. Генный гомолог миозина III, MYO3A, был выявлен в ходе проекта «Геном человека» и экспрессируется в сетчатке и улитке.
Миозин IV
Миозин IV содержит единственный IQ-мотив и хвост, лишенный последовательностей, формирующих спиральные структуры. Он демонстрирует гомологию, сходную с хвостовыми доменами миозинов VII и XV.
Миозин V
Миозин V — нетрадиционный миозинный мотор, процессивный в виде димера и имеющий размер шага 36 нм. Он транслоцируется (движется) вдоль актиновых филаментов, направляясь к колющему концу (+ концу) филаментов. Миозин V участвует в транспорте грузов (например, РНК, везикул, органелл, митохондрий) из центра клетки к периферии, но также было показано, что он действует как динамический якорь, удерживая везикулы и органеллы в актин-богатой периферии клеток. Недавнее исследование in vitro, основанное на восстановлении отдельных молекул при сборке актиновых филаментов, показало, что миозин V проходит большее расстояние на вновь собирающемся F-актине (богатом ADP Pi), в то время как процессивные пробеги короче на более старом (богатом ADP) F-актине. Миозин VI — нетрадиционный миозинный мотор, который преимущественно процессивен в виде димера, но также может функционировать как непроцессивный мономер. Он движется вдоль актиновых филаментов, направляясь к заостренному концу (- концу) филаментов. Считается, что миозин VI транспортирует эндоцитарные везикулы внутрь клетки.
Миозин VII
Миозин VII — это нетрадиционный миозин, содержащий два домена FERM в хвостовой области. Он обладает удлиненным рычагом, состоящим из пяти мотивов связывания кальмодулина IQ, за которыми следует одиночная альфа-спираль (SAH). Миозин VII необходим для фагоцитоза у Dictyostelium discoideum, сперматогенеза у C. elegans и формирования стереоцилий у мышей и данио рерио.
Миозин VIII
Миозин VIII — это миозин, специфичный для растений, связанный с делением клеток; в частности, он участвует в регуляции потока цитоплазмы между клетками и локализации везикул к фрагмопласту.
Миозин IX
Миозин IX – это группа одноголовых моторных белков. Первоначально было показано, что он движется к минус-концу, но более позднее исследование продемонстрировало его движение к плюс-концу. Механизм движения этого миозина изучен недостаточно.
Миозин X
Миозин X — это нетрадиционный миозинный мотор, функционирующий в виде димера. Считается, что димеризация миозина X происходит антипараллельно. Подобное поведение не наблюдалось ни у одного другого миозина. В клетках млекопитающих этот мотор локализуется в филоподиях. Миозин X перемещается к плюсовым концам филаментов. Некоторые исследования указывают на то, что он предпочтительно движется по пучкам актина, а не по отдельным филаментам. Он является первым миозинным мотором, у которого обнаружено такое поведение.
Миозин XI
Миозин XI направляет движение органелл, таких как пластиды и митохондрии, в растительных клетках. Он отвечает за движение хлоропластов, ориентированное по свету, в зависимости от интенсивности освещения, а также за формирование стромул, соединяющих различные пластиды. Миозин XI также играет ключевую роль в росте полярных кончиков корней и необходим для нормального удлинения корневых волосков. Определенный миозин XI, обнаруженный у Nicotiana tabacum, оказался самым быстрым из известных процессивных молекулярных двигателей, перемещающимся со скоростью 7 мкм/с шагами в 35 нм вдоль актиновых нитей.
Миозин XIV
Эта миозиновая группа обнаружена в типе Apicomplexa. Миозины локализуются в плазматических мембранах внутриклеточных паразитов и могут быть вовлечены в процесс проникновения в клетку. Этот миозин также встречается у ресничного простейшего Tetrahymena thermaphila. Известные функции включают транспортировку фагосом к ядру и нарушение развития-регулируемой элиминации макронуклеуса во время конъюгации.
Миозин XV
Миозин XV необходим для развития структуры актинового ядра неподвижных стереоцилий, расположенных во внутреннем ухе. Предполагается, что он функционирует в виде мономера.
Миозин XVIII
MYO18A Ген на хромосоме 17q11.2, кодирующий актин-зависимые моторные молекулы с АТФазной активностью, которые могут быть вовлечены в поддержание стромального каркаса, необходимого для поддержания межклеточных контактов.
Миозин XIX
Необычный миозин XIX (Myo19) — это миозиновый мотор, ассоциированный с митохондриями.
Парамиозин
Парамиозин — крупный мышечный белок массой 93–115 кДа, описанный у представителей множества различных типов беспозвоночных. Считается, что толстые филаменты беспозвоночных состоят из внутреннего ядра парамиозина, окруженного миозином. Миозин взаимодействует с актином, что приводит к сокращению волокна. Парамиозин обнаружен у многих различных видов беспозвоночных, например, у представителей типов Brachiopoda, Sipunculidea, Nematoda, Annelida, Mollusca, Arachnida и Insecta.