Введение

Суперсемейство белков, составляющих микротрубочки.

Тубулин в молекулярной биологии может обозначать как суперсемейство глобулярных белков тубулина, так и один из белков-членов этого суперсемейства. α и β тубулины полимеризуются в микротрубочки – основной компонент эукариотического цитоскелета. Микротрубочки участвуют во многих важных клеточных процессах, включая митоз. Препараты, связывающиеся с тубулином, уничтожают раковые клетки, ингибируя динамику микротрубочек, необходимую для сегрегации ДНК и, следовательно, деления клеток. У эукариот существует шесть членов суперсемейства тубулинов, хотя не все они присутствуют у всех видов. Масса α и β тубулинов составляет около 50 кДа, что сопоставимо с массой актина (~42 кДа). В отличие от этого, полимеры тубулина (микротрубочки) обычно значительно больше актиновых филаментов из-за своей цилиндрической формы. Долгое время считалось, что тубулин характерен только для эукариот. Однако в последнее время было показано, что некоторые прокариотические белки имеют родство с тубулином.

Микротубулы

α и β тубулины полимеризуются в динамические микротрубочки. У эукариот микротрубочки являются одним из основных компонентов цитоскелета и участвуют во многих процессах, включая структурную поддержку, внутриклеточный транспорт и разделение ДНК. Микротрубочки собираются из димеров α и β тубулина. Эти субъединицы слегка кислые, с изоэлектрической точкой между 5,2 и 5,8. Каждая имеет молекулярную массу около 50 кДа. Для формирования микротрубочек димеры α и β тубулина связываются с ГТФ и собираются на (+) концах микротрубочек, находясь в состоянии, связанном с ГТФ. Субъединица β-тубулина экспонирована на плюсовом конце микротрубочки, а субъединица α-тубулина – на минусовом. После включения димера в микротрубочку молекула ГТФ, связанная с субъединицей β-тубулина, в конечном итоге гидролизуется до ГДФ через междимерные контакты вдоль протофиламента микротрубочки. Молекула ГТФ, связанная с субъединицей α-тубулина, не гидролизуется в течение всего процесса. То, связана ли β-тубулиновая субъединица димера тубулина с ГТФ или ГДФ, влияет на стабильность димера в микротрубочке. Димеры, связанные с ГТФ, склонны к сборке в микротрубочки, в то время как димеры, связанные с ГДФ, склонны к диссоциации; таким образом, этот цикл ГТФ необходим для динамической нестабильности микротрубочки.

Бактериальные микротубулы

Гомологи α и β тубулина были обнаружены у бактерий рода Prosthecobacter. Несмотря на высокую структурную схожесть с эукариотическими тубулинами, они обладают рядом уникальных характеристик, включая спонтанную сборку без участия шаперонов и слабую димеризацию. Криоэлектронная микроскопия показала, что BtubA/B формирует микротрубочки in vivo, и позволила предположить, что эти микротрубочки состоят всего из пяти протофиламентов, в отличие от эукариотических микротрубочек, которые обычно содержат 13.

Прокариотическое деление

FtsZ встречается почти во всех бактериях и археях, где он участвует в делении клеток, локализуясь в кольцо в середине делящейся клетки и рекрутируя другие компоненты дивизомы – группы белков, которые совместно сужают клеточную оболочку, вызывая перетяжку и образование двух дочерних клеток. In vitro FtsZ способен полимеризоваться в трубки, листы и кольца, а in vivo формирует динамические филаменты. TubZ участвует в разделении плазмид с низким числом копий во время деления бактериальных клеток. Белок формирует структуру, нетипичную для гомолога тубулина: два спиральных филамента обвиваются друг вокруг друга. Это может быть оптимальной структурой для данной функции, поскольку неродственный белок ParM, участвующий в разделении плазмид, демонстрирует схожее строение.

Форма ячейки

Функции CetZ в изменении формы клеток плеоморфных галоархей. У Haloferax volcanii CetZ формирует динамические цитоскелетные структуры, необходимые для дифференцировки из плоской формы клетки в стержневидную форму, обеспечивающую подвижность за счет плавания.

Эукариотические

Суперсемейство тубулинов содержит шесть семейств (альфа (α), бета (β), гамма (γ), дельта (δ), эпсилон (ε) и зета (ζ) тубулинов).

ζ-тубулин

Зета-тубулин присутствует у многих эукариот, но отсутствует у других, в том числе у плацентарных млекопитающих. Показано, что он ассоциирован с базальным придатком центриолей в многоресничном эпителии.

FtsZ

Многие бактериальные и эвриархеальные клетки используют FtsZ для деления бинарным делением. Все хлоропласты и некоторые митохондрии, оба органелла, происходящие от эндосимбиоза бактерий, также используют FtsZ. Это был первый идентифицированный белок прокариотического цитоскелета.

ТубЗ

TubZ (; pBt156) был идентифицирован в Bacillus thuringiensis как важный для поддержания плазмиды.

CetZ

CetZ обнаружен в эвриархеальных кладах Метаномикробии и Галобактерий, где он участвует в дифференцировке формы клеток.

Одинархеота тубулин

Тубулин архей Асгарда, обнаруженный у гидротермальных Odinarchaeota (OdinTubulin), был идентифицирован как настоящий тубулин. OdinTubulin формирует протомеры и протофиламенты, наиболее близкие к эукариотическим микротрубочкам, однако собирается в кольцевые структуры, больше напоминающие FtsZ, что позволяет предположить, что OdinTubulin может представлять собой эволюционное звено между FtsZ и тубулинами, формирующими микротрубочки.

Фармакология

Тубулины являются мишенями для противораковых препаратов, таких как винбластин, винкристин и паклитаксел. Противогельминтные препараты мебендазол и альбендазол, а также препарат для лечения подагры колхицин, связываются с тубулином и ингибируют формирование микротрубочек. В то время как первые в конечном итоге приводят к гибели клеток у гельминтов, последние подавляют подвижность нейтрофилов и снижают воспаление у людей. Противогрибковый препарат гризеофульвин воздействует на формирование микротрубочек и применяется в лечении рака.

Постпереводные изменения

При включении в микротрубочки тубулин накапливает ряд посттрансляционных модификаций, многие из которых уникальны для этих белков. Эти модификации включают детирозинирование, ацетилирование, полиглютамилирование, полиглицилирование, фосфорилирование, убиквитинирование, сумоилирование и пальмитоилирование. Тубулин также подвержен окислительной модификации и агрегации, например, при остром повреждении клеток. В настоящее время проводится множество научных исследований ацетилирования в некоторых микротрубочках, особенно связанного с α-тубулин-N-ацетилтрансферазой (ATAT1), которая, как показывают, играет важную роль во многих биологических и молекулярных функциях и, следовательно, также связана со многими заболеваниями человека, особенно неврологическими.