Спектрин: структура, функции и роль в поддержании клеточного скелета.
Spectrin
Спектрин: структура, функции и роль в поддержании целостности плазматической мембраны эукариотических клеток. Ключевой белок цитоскелета и эритроцитов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Спектрин – это цитоскелетный белок, выстилающий внутреннюю сторону плазматической мембраны в эукариотических клетках. Спектрин формирует пятиугольные или шестиугольные структуры, создавая каркас и играя важную роль в поддержании целостности плазматической мембраны и структуры цитоскелета. Шестиугольные образования формируются тетрамерами субъединиц спектрина, ассоциирующимися с короткими актиновыми филаментами на обоих концах тетрамера. Эти короткие актиновые филаменты действуют как соединительные комплексы, обеспечивая формирование шестиугольной сетки. Белок получил название спектрин, поскольку он был впервые выделен как основной белковый компонент эритроцитов человека, обработанных мягкими детергентами; детергенты лизировали клетки, а гемоглобин и другие цитоплазматические компоненты были удалены. В световом микроскопе основная форма эритроцита оставалась видимой, поскольку содержащий спектрин субмембранный цитоскелет сохранял контур клетки. Это получило название «призрака» эритроцита (спектра), и, следовательно, основной белок призрака был назван спектрином. При определенных типах повреждений мозга, таких как диффузное аксональное повреждение, спектрин необратимо расщепляется протеолитическим ферментом кальпаином, разрушая цитоскелет. Расщепление спектрина приводит к образованию мембранных выпячиваний и, в конечном итоге, к их деградации, что обычно приводит к гибели клетки. Субъединицы спектрина также могут быть расщеплены ферментами семейства каспаз, при этом кальпаин и каспазы производят различные продукты распада спектрина, которые могут быть обнаружены с помощью вестерн-блоттинга с использованием соответствующих антител. Расщепление кальпаином может указывать на активацию некроза, а расщепление каспазой – на апоптоз.
Spectrin is a cytoskeletal protein that lines the intracellular side of the plasma membrane in eukaryotic cells. Spectrin forms pentagonal or hexagonal arrangements, forming a scaffold and playing an important role in maintenance of plasma membrane integrity and cytoskeletal structure. The hexagonal arrangements are formed by tetramers of spectrin subunits associating with short actin filaments at either end of the tetramer. These short actin filaments act as junctional complexes allowing the formation of the hexagonal mesh. The protein is named spectrin since it was first isolated as a major protein component of human red blood cells which had been treated with mild detergents; the detergents lysed the cells and the hemoglobin and other cytoplasmic components were washed out. In the light microscope the basic shape of the red blood cell could still be seen as the spectrin containing submembranous cytoskeleton preserved the shape of the cell in outline. This became known as a red blood cell "ghost" (spectre), and so the major protein of the ghost was named spectrin. In certain types of brain injury such as diffuse axonal injury, spectrin is irreversibly cleaved by the proteolytic enzyme calpain, destroying the cytoskeleton. Spectrin cleavage causes the membrane to form blebs and ultimately to be degraded, usually leading to the death of the cell. Spectrin subunits may also be cleaved by caspase family enzymes, and calpain and caspase produce different spectrin breakdown products which can be detected by western blotting with appropriate antibodies. Calpain cleavage may indicate activation of necrosis, while caspase cleavage may indicate apoptosis.
В эритроцитах
Удобство использования эритроцитов по сравнению с другими типами клеток привело к тому, что они стали стандартной моделью для изучения спектринового цитоскелета. Димерный спектрин формируется в результате латеральной ассоциации αI и βI мономеров с образованием димера. Димеры затем объединяются "голова к голове", образуя тетрамер. Ассоциация этих тетрамеров конец к концу с короткими актиновыми филаментами приводит к образованию гексагональных комплексов. У человека связь с внутриклеточной стороной плазматической мембраны осуществляется косвенно, через прямое взаимодействие с белком 4.1 и анкирином, а также с трансмембранным ионным транспортером полосы 3. Белок 4.2 связывает концевой участок спектрина с трансмембранным белком гликофорином А. У животных спектрин формирует сетчатую структуру, обеспечивающую форму красных кровяных клеток. Модель эритроцитов демонстрирует важность спектринового цитоскелета, поскольку мутации в спектрине часто вызывают наследственные дефекты эритроцитов, включая наследственный эллиптоцитоз и, реже, наследственный сфероцитоз.
The convenience of using erythrocytes compared to other cell types means they have become the standard model for the investigation of the spectrin cytoskeleton. Dimeric spectrin is formed by the lateral association of αI and βI monomers to form a dimer. Dimers then associate in a head to head formation to produce the tetramer. End to end association of these tetramers with short actin filaments produces the hexagonal complexes observed. In humans, association with the intracellular face of the plasma membrane is by indirect interaction, through direct interactions with protein 4.1 and ankyrin, with the transmembrane ion transporter band 3 Protein 4.2 binds the spectrin tail region to the transmembrane protein glycophorin A. In animals, spectrin forms the meshwork that provides red blood cells their shape. The erythrocyte model demonstrates the importance of the spectrin cytoskeleton in that mutations in spectrin commonly cause hereditary defects of the erythrocyte, including hereditary elliptocytosis and rarely hereditary spherocytosis.
У беспозвоночных
В беспозвоночных существует три спектрина: α, β и βH. Мутации в спектрине βH у C. elegans вызывают дефекты морфогенеза, приводящие к значительному уменьшению размеров животного, которое в остальном в основном нормально развивается, двигается и размножается. Эти животные называются "sma" из-за их малого фенотипа и несут мутации в гене C. elegans sma-1. Мутация в спектрине β у C. elegans приводит к некоординированному фенотипу, при котором черви парализованы и значительно короче дикого типа. Помимо морфологических эффектов, мутация Unc 70 также вызывает дефекты в нейронах. Количество нейронов нормальное, но наблюдаются дефекты в их росте. Аналогично, спектрин играет роль в нейронах дрозофилы. Нокаут α или β спектрина у D. melanogaster приводит к нейронам, которые морфологически нормальны, но демонстрируют сниженную нейротрансмиссию в нейромышечном синапсе. У животных спектрин формирует сетчатую структуру, обеспечивающую форму красных кровяных клеток.
There are three spectrins in invertebrates, α,β and βH. Mutations in βH spectrin in C. elegans cause defects in morphogenesis resulting in a significantly shorter, but otherwise mostly normal, animal that moves and reproduces. These animals are called "sma" for their small phenotype and carry mutations in the C. elegans sma 1 gene. A mutation in β spectrin in C. elegans results in an uncoordinated phenotype in which the worms are paralysed and much shorter than wild type. In addition to the morphological effects, the Unc 70 mutation also produce defective neurons. Neuron numbers are normal but neuronal outgrowth was defective. Similarly, spectrin plays a role in Drosophila neurons. Knock out of α or β spectrin in D. melanogaster results in neurons that are morphologically normal but have reduced neurotransmission at the neuromuscular junction. In animals, spectrin forms the meshwork that provides red blood cells their shape.
Роль в мышечной ткани
Существует ряд данных, подтверждающих роль спектринов в мышечных тканях. В кардиомиоцитах распределение αII-спектрина совпадает с Z-дисками и плазматической мембраной миофибрилл. Кроме того, у мышей с нокаутом по гену анкирина (ankB) нарушен гомеостаз кальция в миокарде. У этих мышей наблюдаются нарушения морфологии Z-дисков и саркомеров. В данной экспериментальной модели рианодиновые и IP3-рецепторы демонстрируют аномальное распределение в культивируемых кардиомиоцитах. Нарушена кальциевая сигнализация в культивируемых клетках. У людей мутация в гене AnkB вызывает синдром удлиненного интервала QT и внезапную смерть, что подтверждает роль цитоскелета спектрина в возбудимых тканях.
Some evidence for the role of spectrins in muscle tissues exist. In myocardial cells, aII spectrin distribution is coincident with Z discs and the plasma membrane of myofibrils. Additionally, mice with an ankyrin (ankB) knock out have disrupted calcium homeostasis in the myocardia. Affected mice have disrupted z band and sarcomere morphology. In this experimental model ryanodine and IP3 receptors have abnormal distribution in cultured myocytes. The calcium signaling of the cultured cells is disrupted. In humans, a mutation within the AnkB gene results in the long QT syndrome and sudden death, strengthening the evidence for a role for the spectrin cytoskeleton in excitable tissue.