Клатрин: структура и роль в формировании везикул

Введение

Белок, играющий ключевую роль в формировании покрытых везикул.

Клатрин – это белок, играющий ключевую роль в формировании покрытых везикул. Клатрин был впервые выделен Барбарой Пирс в 1976 году. Он формирует структуру в виде трискелиона, состоящую из трех тяжелых и трех легких цепей клатрина. При взаимодействии трискелионов образуется полиэдрическая решетка, окружающая везикулу. Название белка отражает эту решетчатую структуру и происходит от латинского слова clathri, означающего «решетка». Барбара Пирс назвала белок клатрином по предложению Грэма Митчисона, выбрав его из трех предложенных вариантов. Покрывающие белки, такие как клатрин, используются для создания небольших везикул для транспортировки молекул внутри клеток. Эндоцитоз и экзоцитоз везикул обеспечивают клеточную коммуникацию, транспорт питательных веществ, импорт сигнальных рецепторов, опосредование иммунного ответа после анализа внеклеточной среды и удаление клеточного мусора, образующегося при воспалении тканей. Вирусы и другие патогены могут использовать эндоцитарный путь для проникновения в клетку во время инфекции.

Структура

Клатриновый трискельон состоит из трех тяжелых цепей клатрина, взаимодействующих на своих C-концах, каждая тяжелая цепь массой около 190 кДа имеет прочно связанную с ней легкую цепь массой около 25 кДа. Три тяжелые цепи обеспечивают структурный каркас клатриновой решетки, а три легкие цепи, предположительно, регулируют формирование и распад клатриновой решетки. Существуют две формы легких цепей клатрина, обозначенные как a и b. Основная тяжелая цепь клатрина, расположенная на 17-й хромосоме у человека, присутствует во всех клетках. Второй ген тяжелой цепи клатрина, расположенный на 22-й хромосоме, экспрессируется в мышечной ткани. Тяжелую цепь клатрина часто описывают как ногу, с поддоменами, представляющими стопу (N-концевой домен), за которой следуют лодыжка, дистальный отдел ноги, колено, проксимальный отдел ноги и домены тримеризации. N-концевой домен состоит из семилопастной β-пропеллерной структуры. Другие домены формируют суперспираль из коротких α-спиралей. Это было впервые установлено на основе структуры проксимального домена ноги, которая была идентифицирована и состоит из меньшего структурного модуля, называемого повторами тяжелой цепи клатрина. Легкие цепи связываются преимущественно с проксимальным отделом ноги тяжелой цепи, с некоторым взаимодействием вблизи домена тримеризации. β-пропеллер у "стопы" клатрина содержит множество сайтов связывания для взаимодействия с другими белками. Когда трискелии собираются вместе в растворе, они могут взаимодействовать с достаточной гибкостью, чтобы формировать 6-сторонние кольца (шестиугольники), которые образуют плоскую решетку, или 5-сторонние кольца (пятиугольники), необходимые для формирования изогнутой решетки. При соединении множества трискелионов они могут образовать структуру, напоминающую корзину. Показанная структура построена из 36 трискелионов, один из которых выделен синим цветом. Другой распространенной формой сборки является усеченный икосаэдр. Для образования везикулы в решетке должно присутствовать ровно 12 пятиугольников. В клетке клатриновый трискельон в цитоплазме связывается с адапторным белком, который связан с мембраной, соединяя одну из трех "ног" с мембраной за один раз. Клатрин не может связываться непосредственно с мембраной или грузом, а использует для этого адапторные белки. Этот трискельон будет связываться с другими трискелиями, прикрепленными к мембране, формируя округлую решетку из шестиугольников и пятиугольников, напоминающую панели футбольного мяча, которая втягивает мембрану в бутон. Пузырьки разных размеров могут собираться при создании различных комбинаций 5- и 6-сторонних колец. Самая маленькая обычно визуализируемая клатриновая клетка, называемая мини-покрытием, содержит 12 пятиугольников и только два шестиугольника. Еще меньшие клетки, не содержащие шестиугольников, вероятно, не формируются из нативного белка, поскольку "ноги" трискелионов слишком массивны.

The clathrin triskelion is composed of three clathrin heavy chains interacting at their C termini, each ~190 kDa heavy chain has a ~25 kDa light chain tightly bound to it. The three heavy chains provide the structural backbone of the clathrin lattice, and the three light chains are thought to regulate the formation and disassembly of a clathrin lattice. There are two forms of clathrin light chains, designated a and b. The main clathrin heavy chain, located on chromosome 17 in humans, is found in all cells. A second clathrin heavy chain gene, on chromosome 22, is expressed in muscle. Clathrin heavy chain is often described as a leg, with subdomains, representing the foot (the N terminal domain), followed by the ankle, distal leg, knee, proximal leg, and trimerization domains. The N terminal domain consists of a seven bladed β propeller structure. The other domains form a super helix of short alpha helices. This was originally determined from the structure of the proximal leg domain that identified and is composed of a smaller structural module referred to as clathrin heavy chain repeat motifs. The light chains bind primarily to the proximal leg portion of the heavy chain with some interaction near the trimerization domain. The β propeller at the 'foot' of clathrin contains multiple binding sites for interaction with other proteins. When triskelia assemble together in solution, they can interact with enough flexibility to form 6 sided rings (hexagons) that yield a flat lattice, or 5 sided rings (pentagons) that are necessary for curved lattice formation. When many triskelions connect, they can form a basket like structure. The structure shown, is built of 36 triskelia, one of which is shown in blue. Another common assembly is a truncated icosahedron. To enclose a vesicle, exactly 12 pentagons must be present in the lattice. In a cell, clathrin triskelion in the cytoplasm binds to an adaptor protein that has bound membrane, linking one of its three feet to the membrane at a time. Clathrin cannot bind to membrane or cargo directly and instead uses adaptor proteins to do this. This triskelion will bind to other membrane attached triskelia to form a rounded lattice of hexagons and pentagons, reminiscent of the panels on a soccer ball, that pulls the membrane into a bud. By constructing different combinations of 5 sided and 6 sided rings, vesicles of different sizes may assemble. The smallest clathrin cage commonly imaged, called a mini coat, has 12 pentagons and only two hexagons. Even smaller cages with zero hexagons probably do not form from the native protein, because the feet of the triskelia are too bulky.

Функция

Клатрин выполняет критически важные функции в формировании округлых везикул в цитоплазме для внутриклеточного транспорта. Клатрин-покрытые везикулы (CCV) селективно сортируют груз на клеточной мембране, в транс-Гольджи сети и эндосомальных компартментах для множества мембранных транспортных путей. После того, как везикула формируется в цитоплазме, оболочка быстро дезагрегирует, позволяя клатрину рециркулировать, а везикуле транспортироваться в различные места. Адапторные молекулы отвечают за самосборку и рекрутинг. Два примера адапторных белков – AP180 и эпсин. AP180 используется в формировании синаптических везикул. Он рекрутирует клатрин к мембранам и также способствует его полимеризации. Эпсин также рекрутирует клатрин к мембранам и способствует его полимеризации, а также может способствовать деформации мембраны, таким образом, позволяя формироваться клатрин-покрытым везикулам. В клетке трискелион, свободно плавающий в цитоплазме, связывается с адапторным белком, соединяя одну из своих "ножек" с мембраной. "Ножка" трискелиона будет связываться с другими, прикрепленными к мембране, формируя полиэдрическую решетку, "ножка" трискелиона, которая втягивает мембрану в бутон. "Ножка" не связывается непосредственно с мембраной, а связывается с адапторными белками, которые распознают молекулы на поверхности мембраны. Клатрин выполняет и другую функцию, помимо покрытия органелл. В неделящихся клетках образование клатрин-покрытых везикул происходит непрерывно. Формирование клатрин-покрытых везикул прекращается в клетках, находящихся в митозе. Во время митоза клатрин связывается с веретеном деления в комплексе с двумя другими белками: TACC3 и ch TOG/CKAP5. Клатрин способствует конгрессии хромосом, стабилизируя кинетохорные волокна митотического веретена. Аминотерминальный домен тяжелой цепи клатрина и TACC-домен TACC3 формируют поверхность связывания с микротрубочками для связывания комплекса TACC3/ch TOG/клатрина с митотическим веретеном. Для стабилизации кинетохорных волокон требуется тримерная структура клатрина для сшивания микротрубочек. Клатрин-опосредованный эндоцитоз (CME) регулирует многие клеточные физиологические процессы, такие как интернализация факторов роста и рецепторов, проникновение патогенов и синаптическая передача. Считается, что клеточные инвадеры используют питательный путь для получения доступа к репликационным механизмам клетки. Определенные сигнальные молекулы открывают питательный путь. Однако специфичность этих соединений для блокирования клатрин-опосредованного эндоцитоза подвергалась сомнению. Однако в более поздних исследованиях специфичность Pitstop 2 была подтверждена как клатрин-зависимая.

Clathrin performs critical roles in shaping rounded vesicles in the cytoplasm for intracellular trafficking. Clathrin coated vesicles (CCVs) selectively sort cargo at the cell membrane, trans Golgi network, and endosomal compartments for multiple membrane traffic pathways. After a vesicle buds into the cytoplasm, the coat rapidly disassembles, allowing the clathrin to recycle while the vesicle gets transported to a variety of locations. Adaptor molecules are responsible for self assembly and recruitment. Two examples of adaptor proteins are AP180 and epsin. AP180 is used in synaptic vesicle formation. It recruits clathrin to membranes and also promotes its polymerization. Epsin also recruits clathrin to membranes and promotes its polymerization, and can help deform the membrane, and thus clathrin coated vesicles can bud. In a cell, a triskelion floating in the cytoplasm binds to an adaptor protein, linking one of its feet to the membrane at a time. The triskelion foot will bind to other ones attached to the membrane to form a polyhedral lattice, triskelion foot, which pulls the membrane into a bud. The foot does not bind directly to the membrane, but binds to the adaptor proteins that recognize the molecules on the membrane surface. Clathrin has another function aside from the coating of organelles. In non dividing cells, the formation of clathrin coated vesicles occurs continuously. Formation of clathrin coated vesicles is shut down in cells undergoing mitosis. During mitosis, clathrin binds to the spindle apparatus, in complex with two other proteins: TACC3 and ch TOG/CKAP5. Clathrin aids in the congression of chromosomes by stabilizing kinetochore fibers of the mitotic spindle. The amino terminal domain of the clathrin heavy chain and the TACC domain of TACC3 make the microtubule binding surface for TACC3/ch TOG/clathrin to bind to the mitotic spindle. The stabilization of kinetochore fibers requires the trimeric structure of clathrin in order to crosslink microtubules. Clathrin mediated endocytosis (CME) regulates many cellular physiological processes such as the internalization of growth factors and receptors, entry of pathogens, and synaptic transmission. It is believed that cellular invaders use the nutrient pathway to gain access to a cell's replicating mechanisms. Certain signalling molecules open the nutrients pathway. However, the specificity of these compounds to block clathrin mediated endocytosis has been questioned. In later studies, however, the specificity of Pitstop 2 was validated as being clathrin dependent.