Микротрубочки: структура, функции и организация цитоскелета.

Введение

Полимер тубулина, формирующий часть цитоскелета.

Микротрубочки – это полимеры тубулина, формирующие часть цитоскелета и обеспечивающие структуру и форму эукариотических клеток. Микротрубочки могут достигать 50 микрометров в длину, от 23 до 27 нм в ширину и иметь внутренний диаметр от 11 до 15 нм. Они образуются в результате полимеризации димера двух глобулярных белков, альфа- и бета-тубулина, в протофиламенты, которые затем могут латерально ассоциировать, формируя полые трубки – микротрубочки. Наиболее распространенная форма микротрубочки состоит из 13 протофиламентов в трубчатой организации. Микротрубочки играют важную роль во многих клеточных процессах. Они участвуют в поддержании структуры клетки и, вместе с микрофиламентами и промежуточными филаментами, формируют цитоскелет. Они также составляют внутреннюю структуру ресничек и жгутиков. Они служат платформами для внутриклеточного транспорта и участвуют в различных клеточных процессах, включая перемещение секреторных везикул, органелл и внутриклеточных макромолекулярных комплексов. Они также участвуют в делении клеток (митозе и мейозе) и являются основными компонентами митотического веретена, которое используется для расхождения эукариотических хромосом. Микротрубочки нуклеируются и организуются центрами организации микротрубочек, такими как центросома, обнаруженная в центре многих клеток животных, базальные тельца ресничек и жгутиков или тела полюсов веретена, обнаруженные у большинства грибов. Существует множество белков, связывающихся с микротрубочками, включая моторные белки динеин и кинезин, белки, разрушающие микротрубочки, такие как катанин, и другие белки, важные для регуляции динамики микротрубочек. Недавно белок, подобный актину, был обнаружен в грамположительной бактерии Bacillus thuringiensis, которая формирует структуру, подобную микротрубочке, называемую нанотрубочкой, участвующей в сегрегации плазмид. Другие бактериальные микротрубочки имеют кольцо из пяти протофиламентов.

История

Процессы, опосредованные тубулином и микротубулами, такие как клеточное передвижение, были замечены ранними микроскопистами, например, Левенгуком (1677). Однако волокнистая природа жгутиков и других структур была обнаружена два столетия спустя с использованием усовершенствованных световых микроскопов и подтверждена в XX веке с помощью электронного микроскопа и биохимических исследований. Исследования in vitro моторных белков микротубул, таких как динеин и кинезин, проводятся путем флуоресцентной метки микротубулы и фиксации либо микротубулы, либо моторных белков на предметном стекле, а затем визуализации стекла с использованием видеоусиленной микроскопии для регистрации перемещения моторных белков. Это позволяет наблюдать движение моторных белков вдоль микротубулы или движение микротубулы относительно моторных белков. Следовательно, некоторые процессы, связанные с микротубулами, можно изучить с помощью кимографии.

Структура

У эукариот микротубулы представляют собой длинные полые цилиндры, состоящие из полимеризованных α и β димеров тубулина. Внутреннее пространство полых цилиндров микротубул называется люменом. Субъединицы α и β тубулина идентичны на уровне аминокислот примерно на 50% и обе имеют молекулярную массу около 50 кДа. Эти α/β тубулинные димеры полимеризуются от конца к концу в линейные протофиламенты, которые ассоциируют боковым образом, образуя единую микротубулу, которая затем может удлиняться путем добавления дополнительных α/β тубулинных димеров. Обычно микротубулы формируются в результате параллельной ассоциации тринадцати протофиламентов, хотя микротубулы, состоящие из меньшего или большего количества протофиламентов, наблюдались у различных видов, а также in vitro. Микротубулы обладают выраженной полярностью, которая критически важна для их биологической функции. Тубулин полимеризуется от конца к концу, при этом β-субъединицы одного димера тубулина контактируют с α-субъединицами следующего димера. Следовательно, в протофиламенте на одном конце будут экспонированы α-субъединицы, а на другом – β-субъединицы. Эти концы обозначаются как (−) и (+) концы соответственно. Протофиламенты связываются параллельно друг другу с одинаковой полярностью, поэтому в микротубуле есть один конец, (+) конец, с экспонированными только β-субъединицами, а на другом конце, (−) конце, экспонированы только α-субъединицы. Хотя удлинение микротубул может происходить как на (+) так и на (−) концах, оно значительно быстрее на (+) конце. Боковая ассоциация протофиламентов генерирует псевдоспиральную структуру, один виток которой содержит 13 тубулинных димеров, каждый из разных протофиламентов. В наиболее распространенной архитектуре "13 3" 13-й тубулинный димер взаимодействует со следующим тубулинным димером со смещением на 3 тубулинных мономера по вертикали из-за спиральности витка. Существуют и другие альтернативные архитектуры, такие как 11 3, 12 3, 14 3, 15 4 или 16 4, которые были обнаружены с гораздо меньшей частотой. Микротубулы также могут превращаться в другие формы, такие как спиральные филаменты, которые наблюдаются у простейших, таких как фораминиферы. Внутри микротубулы существуют два различных типа взаимодействий между субъединицами боковых протофиламентов, называемые решетками типа А и типа В. В решетке типа А боковая ассоциация протофиламентов происходит между соседними α и β субъединицами тубулина (то есть α субъединица тубулина из одного протофиламента взаимодействует с β субъединицей тубулина из соседнего протофиламента). В решетке типа В α и β субъединицы тубулина из одного протофиламента взаимодействуют с α и β субъединицами тубулина из соседнего протофиламента соответственно. Экспериментальные исследования показали, что решетка типа В является основным расположением внутри микротубул. Однако в большинстве микротубул есть шов, в котором взаимодействуют α и β субъединицы тубулина. Последовательность и точный состав молекул во время образования микротубул можно обобщить следующим образом: β-тубулин соединяется в контексте отсутствующей ковалентной связи с α-тубулином, которые в соединенном виде образуют гетеродимер, поскольку состоят из двух различных полипептидов (β-тубулин и α-тубулин). После образования гетеродимеров они соединяются вместе, образуя длинные цепи, которые условно поднимаются в одном направлении (например, вверх). Эти гетеродимеры, соединенные в определенном направлении, образуют протофиламенты. Эти длинные цепи (протофиламенты) постепенно накапливаются рядом друг с другом, образуя трубчатую структуру с люменом, типичным для трубок. Соответственно, в основном 13 протофиламентов формируют внешнюю стенку микротубул. Гетеродимеры состоят из положительного и отрицательного концов, при этом альфа-тубулин формирует отрицательный конец, а бета-тубулин – положительный. Поскольку гетеродимеры уложены друг на друга, всегда есть отрицательный и положительный конец. Микротубулы растут путем добавления гетеродимеров на (+) конце. Некоторые виды Prosthecobacter также содержат микротубулы. Структура этих бактериальных микротубул аналогична структуре микротубул эукариот, состоящей из полых трубок протофиламентов, собранных из гетеродимеров бактериального тубулина А (BtubA) и бактериального тубулина B (BtubB). И BtubA, и BtubB обладают характеристиками как α, так и β тубулина. В отличие от эукариотических микротубул, бактериальным микротубулам не требуются шапероны для сворачивания. В отличие от 13 протофиламентов эукариотических микротубул, бактериальные микротубулы состоят всего из пяти.

In eukaryotes, microtubules are long, hollow cylinders made up of polymerized α and β tubulin dimers. The inner space of the hollow microtubule cylinders is referred to as the lumen. The α and β tubulin subunits are ~50% identical at the amino acid level, and both have a molecular weight of approximately 50 kDa. These α/β tubulin dimers polymerize end to end into linear protofilaments that associate laterally to form a single microtubule, which can then be extended by the addition of more α/β tubulin dimers. Typically, microtubules are formed by the parallel association of thirteen protofilaments, although microtubules composed of fewer or more protofilaments have been observed in various species as well as in vitro. Microtubules have a distinct polarity that is critical for their biological function. Tubulin polymerizes end to end, with the β subunits of one tubulin dimer contacting the α subunits of the next dimer. Therefore, in a protofilament, one end will have the α subunits exposed while the other end will have the β subunits exposed. These ends are designated the (−) and (+) ends, respectively. The protofilaments bundle parallel to one another with the same polarity, so, in a microtubule, there is one end, the (+) end, with only β subunits exposed, while the other end, the (−) end, has only α subunits exposed. While microtubule elongation can occur at both the (+) and (−) ends, it is significantly more rapid at the (+) end. The lateral association of the protofilaments generates a pseudo helical structure, with one turn of the helix containing 13 tubulin dimers, each from a different protofilament. In the most common "13 3" architecture, the 13th tubulin dimer interacts with the next tubulin dimer with a vertical offset of 3 tubulin monomers due to the helicity of the turn. There are other alternative architectures, such as 11 3, 12 3, 14 3, 15 4, or 16 4, that have been detected at a much lower occurrence. Microtubules can also morph into other forms such as helical filaments, which are observed in protist organisms like foraminifera. There are two distinct types of interactions that can occur between the subunits of lateral protofilaments within the microtubule called the A type and B type lattices. In the A type lattice, the lateral associations of protofilaments occur between adjacent α and β tubulin subunits (i. e. an α tubulin subunit from one protofilament interacts with a β tubulin subunit from an adjacent protofilament). In the B type lattice, the α and β tubulin subunits from one protofilament interact with the α and β tubulin subunits from an adjacent protofilament, respectively. Experimental studies have shown that the B type lattice is the primary arrangement within microtubules. However, in most microtubules there is a seam in which tubulin subunits interact α β. The sequence and exact composition of molecules during microtubule formation can thus be summarised as follows: A β tubulin connects in the context of a non existent covalent bond with an α tubulin, which in connected form are a heterodimer, since they consist of two different polypeptides (β tubulin and α tubulin). So after the heterodimers are formed, they join together to form long chains that rise figuratively in one direction (e. g. upwards). These heterodimers, which are connected in a certain direction, form protofilaments. These long chains (protofilaments) now gradually accumulate next to each other so that a tube like structure is formed, which has a lumen typical of a tube. Accordingly, mostly 13 protofilaments form the outer wall of the microtubules. The heterodimers consist of a positive and negative end, with alpha tubulin forming the negative end and beta tubulin the positive end. Due to the fact that the heterodimers are stacked on top of each other, there is always a negative and positive end. Microtubules grow by an addition of heterodimers at the plus end. Some species of Prosthecobacter also contain microtubules. The structure of these bacterial microtubules is similar to that of eukaryotic microtubules, consisting of a hollow tube of protofilaments assembled from heterodimers of bacterial tubulin A (BtubA) and bacterial tubulin B (BtubB). Both BtubA and BtubB share features of both α and β tubulin. Unlike eukaryotic microtubules, bacterial microtubules do not require chaperones to fold. In contrast to the 13 protofilaments of eukaryotic microtubules, bacterial microtubules comprise only five.

Внутриклеточная организация

Микротрубочки являются частью цитоскелета – структурной сети в цитоплазме клетки. Функции цитоскелета микротрубочек включают механическую поддержку, организацию цитоплазмы, транспорт, подвижность и разделение хромосом. В развивающихся нейронах микротрубочки известны как нейротубулы, и они способны модулировать динамику актина, другого компонента цитоскелета. Микротрубочка способна расти и сокращаться для создания силы, и существуют моторные белки, обеспечивающие перенос органелл и других клеточных компонентов вдоль микротрубочки. Это сочетание функций делает микротрубочки важными для организации и перемещения внутриклеточных структур. Организация микротрубочек в клетке зависит от типа клетки. В эпителиальных клетках минус-концы полимера микротрубочек закреплены вблизи мест клеточного контакта и организованы вдоль апикобазальной оси. После нуклеации минус-концы высвобождаются, а затем повторно закрепляются в периферии факторами, такими как ninein и PLEKHA7. Таким образом, они могут способствовать транспорту белков, везикул и органелл вдоль апикобазальной оси клетки. В фибробластах и других мезенхимальных клетках микротрубочки закреплены в центросоме и расходятся своими плюс-концами к периферии клетки (как показано на первом рисунке). В этих клетках микротрубочки играют важную роль в миграции клеток. Более того, на полярность микротрубочек воздействуют моторные белки, которые организуют многие компоненты клетки, включая эндоплазматическую сеть и аппарат Гольджи.

Ядерная реакция

Нуклеация – это событие, инициирующее формирование микротрубочек из димера тубулина. Микротрубочки обычно нуклеируются и организуются органеллами, называемыми центрами организации микротрубочек (MTOC). Внутри MTOC содержится другой тип тубулина – γ-тубулин, который отличается от α и β субъединиц самих микротрубочек. γ-тубулин объединяется с несколькими другими ассоциированными белками, образуя структуру, напоминающую стопорное кольцо, известную как «γ-тубулиновый кольцевой комплекс» (γTuRC). Этот комплекс служит шаблоном для димеров α/β-тубулина, чтобы начать полимеризацию; он действует как «крышка» (−)-конца, в то время как рост микротрубочек продолжается от MTOC в направлении (+). Центросома является основным MTOC для большинства типов клеток. Однако микротрубочки могут нуклеироваться и в других местах. Например, реснички и жгутики имеют MTOC в своей основе, называемые базальными тельцами. Кроме того, работы группы Каверины из Университета Вандербильта, а также других исследователей, показывают, что аппарат Гольджи может служить важной платформой для нуклеации микротрубочек. Поскольку нуклеация из центросомы по своей природе симметрична, нуклеация микротрубочек, связанная с аппаратом Гольджи, может позволить клетке установить асимметрию в сети микротрубочек. В недавних исследованиях группа Vale из UCSF идентифицировала белковый комплекс аугмин как критический фактор для генерации микротрубочек, зависимой от центросомы и основанной на веретене деления. Было показано, что он взаимодействует с γTuRC и увеличивает плотность микротрубочек вокруг источника митотического веретена. Некоторые типы клеток, такие как растительные клетки, не содержат четко определенных MTOC. В этих клетках микротрубочки нуклеируются из дискретных участков цитоплазмы. Другие типы клеток, такие как трипаносоматидные паразиты, имеют MTOC, но он постоянно расположен в основании жгутика. Здесь нуклеация микротрубочек для структурных ролей и для формирования митотического веретена происходит не из канонического центриоли, подобного MTOC.

Полимеризация

После первоначального события нуклеации к растущему полимеру необходимо добавлять мономеры тубулина. Процесс добавления или удаления мономеров зависит от концентрации αβ-тубулинных димеров в растворе по отношению к критической концентрации, которая представляет собой стационарную концентрацию димеров, при которой прекращается чистая полимеризация или деполимеризация на конце микротрубочки. Если концентрация димеров выше критической концентрации, микротрубочка будет полимеризироваться и расти. Если концентрация ниже критической концентрации, длина микротрубочки будет уменьшаться.

Динамическая нестабильность

Динамическая нестабильность относится к сосуществованию полимеризации и деполимеризации на концах микротрубочки. Микротрубочка может динамически переключаться между фазами роста и укорочения в этой области. Димеры тубулина способны связывать две молекулы ГТФ, одна из которых может быть гидролизована после сборки. Во время полимеризации димеры тубулина находятся в состоянии, связанном с ГТФ. Субъединица тубулина, связанная с ГДФ, на конце микротрубочки имеет тенденцию отщепляться, однако тубулин, связанный с ГДФ, в середине микротрубочки не может спонтанно выскочить из полимера. Поскольку тубулин присоединяется к концу микротрубочки в состоянии, связанном с ГТФ, предполагается существование "крышечки" из тубулина, связанного с ГТФ, на ее конце, которая защищает ее от деполимеризации. Когда гидролиз доходит до конца микротрубочки, начинается быстрая деполимеризация и усадка. Этот переход от роста к укорочению называется катастрофой. Тубулин, связанный с ГТФ, может снова начать присоединяться к концу микротрубочки, формируя новую "крышечку" и защищая микротрубочку от укорочения. Это называется "спасением".

Модель "поиск и захват"

В 1986 году Марк Киршнер и Тим Митчисон предположили, что микротрубочки используют свои динамические свойства роста и усадки на плюсовых концах для зондирования трехмерного пространства клетки. Плюсовые концы, сталкиваясь с кинетохорами или участками полярности, захватываются и перестают расти или усаживаться. В отличие от обычных динамических микротрубочек, имеющих период полураспада 5–10 минут, захваченные микротрубочки могут существовать в течение нескольких часов. Эта идея широко известна как модель "поиск и захват". Последующие исследования в значительной степени подтвердили эту концепцию. На кинетохорах было показано, что различные комплексы захватывают (+) концы микротрубочек. Кроме того, описана (+) концевая ограничивающая активность для интерфазных микротрубочек. Эта активность опосредована форминами, белком аденоматозного полипоза толстой кишки и EB1 – белком, отслеживающим рост вдоль плюсовых концов микротрубочек.

Плюс-концевые отслеживающие белки (+TIP)

Плюс-протеины отслеживания концов — это белки MAP, которые связываются с растущими концами микротрубочек и играют важную роль в регулировании динамики микротрубочек. Например, было замечено, что +TIP участвуют во взаимодействии микротрубочек с хромосомами во время митоза. Первым белком MAP, идентифицированным как +TIP, был CLIP170 (цитоплазматический линкерный белок), который, как было показано, играет роль в предотвращении деполимеризации микротрубочек. Другие примеры +TIP включают EB1, EB2, EB3, p150Glued, Dynamitin, Lis1, CLIP115, CLASP1 и CLASP2.

Моторные белки

Микротрубочки могут служить субстратами для моторных белков, участвующих в важных клеточных функциях, таких как транспорт везикул и деление клеток. В отличие от других белков, связанных с микротрубочками, моторные белки используют энергию, высвобождающуюся при гидролизе АТФ, для генерации механической работы, которая перемещает белок вдоль субстрата. Основными моторными белками, взаимодействующими с микротрубочками, являются кинезин, который обычно движется к (+) концу микротрубочки, и динеин, который движется к (-) концу. Динеин состоит из двух идентичных тяжелых цепей, формирующих две крупные глобулярные головные области, а также переменного числа промежуточных и легких цепей. Транспорт, опосредованный динеином, осуществляется от (+) конца к (-) концу микротрубочки. Гидролиз АТФ происходит в глобулярных головных областях, которые имеют сходство с семейством белков AAA+ (АТФазы, связанные с различными клеточными активностями). Гидролиз АТФ в этих областях связан с движением вдоль микротрубочки посредством доменов, связывающих микротрубочки. Динеин транспортирует везикулы и органеллы по цитоплазме. Для этого молекулы динеина связываются с мембранами органелл через белковый комплекс, содержащий ряд элементов, включая динактин. Кинезин имеет структуру, аналогичную динеину. Кинезин участвует в транспортировке разнообразных внутриклеточных грузов, включая везикулы, органеллы, белковые комплексы и мРНК к (+) концу микротрубочки. Некоторые вирусы (включая ретровирусы, герпесвирусы, парвовирусы и аденовирусы), которым необходим доступ к ядру для репликации своих геномов, прикрепляются к моторным белкам.

Центросомы

Центросома является основным MTOC (организующим центром микротрубочек) клетки во время митоза. Каждая центросома состоит из двух цилиндров, называемых центриолями, ориентированных под прямым углом друг к другу. Центриоль образована из 9 основных микротрубочек, к каждой из которых прикреплены две неполные микротрубочки. Каждая центриоль имеет длину около 400 нм и окружность около 200 нм. Центросома критически важна для митоза, поскольку большинство микротрубочек, участвующих в этом процессе, происходят из центросомы. Минус-концы каждой микротрубочки начинаются в центросоме, а плюс-концы расходятся во всех направлениях. Таким образом, центросома также важна для поддержания полярности микротрубочек во время митоза. Большинство клеток имеют только одну центросому на протяжении большей части клеточного цикла, однако непосредственно перед митозом центросома дуплицируется, и клетка содержит две центросомы. Некоторые из микротрубочек, исходящих из центросомы, растут непосредственно от сестринской центросомы. Эти микротрубочки называются астральными микротрубочками. С помощью этих астральных микротрубочек центросомы расходятся друг от друга к противоположным полюсам клетки. Достигнув этих полюсов, могут начать формироваться другие типы микротрубочек, необходимые для митоза, включая интерполярные микротрубочки и К-волокна. Важно отметить, что, хотя центросома является MTOC для микротрубочек, необходимых для митоза, исследования показали, что после формирования микротрубочек и их расположения в правильном месте, сами центросомы больше не требуются для протекания митоза.

Подклассы микротубулей

Астральные микротрубочки — это подкласс микротрубочек, существующий только во время и непосредственно вокруг митоза. Они происходят из центросомы, но не взаимодействуют с хромосомами, кинетохорами или микротрубочками, исходящими из другой центросомы. Вместо этого их микротрубочки расходятся к клеточной мембране. Там они взаимодействуют со специфическими моторными белками, которые создают силу, тянущую микротрубочки, а вместе с ними и всю центросому к клеточной мембране. Как указано выше, это помогает центросомам ориентироваться друг относительно друга в клетке. Однако эти астральные микротрубочки не взаимодействуют с самим митотическим веретеном. Эксперименты показали, что без этих астральных микротрубочек митотическое веретено может формироваться, но его ориентация в клетке не всегда правильная, и, следовательно, митоз протекает неэффективно. Другая ключевая функция астральных микротрубочек — помощь в цитокинезе. Астральные микротрубочки взаимодействуют с моторными белками на клеточной мембране, чтобы разделить веретено и всю клетку после репликации хромосом. Интерполярные/полярные микротрубочки — это класс микротрубочек, которые также расходятся из центросомы во время митоза. Эти микротрубочки расходятся в сторону митотического веретена, в отличие от астральных микротрубочек. Интерполярные микротрубочки являются наиболее распространенным и динамичным подклассом микротрубочек во время митоза. Около 95% микротрубочек в митотическом веретене можно охарактеризовать как интерполярные. Кроме того, период полураспада этих микротрубочек чрезвычайно короткий — менее одной минуты. Интерполярные микротрубочки, которые не прикрепляются к кинетохорам, могут способствовать сближению хромосом посредством латерального взаимодействия с кинетохорами. К-волокна/микротрубочки кинетохор — это третий важный подкласс митотических микротрубочек. Эти микротрубочки образуют прямые связи с кинетохорами в митотическом веретене. Каждое К-волокно состоит из 20–40 параллельных микротрубочек, образующих прочную трубку, прикрепленную с одного конца к центросоме, а с другого — к кинетохору, расположенному в центре каждой хромосомы. Поскольку каждая центросома имеет К-волокно, соединяющееся с каждой парой хромосом, хромосомы фиксируются в середине митотического веретена К-волокнами. К-волокна имеют гораздо более длительный период полураспада, чем интерполярные микротрубочки — от 4 до 8 минут. В конце митоза микротрубочки, формирующие каждое К-волокно, начинают диссоциировать, тем самым укорачивая К-волокна. По мере укорочения К-волокон пары хромосом расходятся непосредственно перед цитокинезом. Ранее некоторые исследователи полагали, что К-волокна формируются на своем минус-конце, исходящем из центросомы, как и другие микротрубочки, однако новые исследования указывают на другой механизм. Согласно этому новому механизму, К-волокна первоначально стабилизируются на своем плюс-конце кинетохорами и растут оттуда. Минус-конец этих К-волокон в конечном итоге соединяется с существующей интерполярной микротрубочкой и таким образом соединяется с центросомой.

Astral microtubules are a subclass of microtubules which only exist during and around mitosis. They originate from the centrosome, but do not interact with the chromosomes, kinetochores, or with the microtubules originating from the other centrosome. Instead their microtubules radiate towards the cell membrane. Once there they interact with specific motor proteins which create force that pull the microtubules, and thus the entire centrosome towards the cell membrane. As stated above, this helps the centrosomes orient themselves away from each other in the cell. However these astral microtubules do not interact with the mitotic spindle itself. Experiments have shown that without these astral microtubules, the mitotic spindle can form, however its orientation in the cell is not always correct and thus mitosis does not occur as effectively. Another key function of the astral microtubules is to aid in cytokinesis. Astral microtubules interact with motor proteins at the cell membrane to pull the spindle and the entire cell apart once the chromosomes have been replicated. Interpolar/Polar microtubules are a class of microtubules which also radiate out from the centrosome during mitosis. These microtubules radiate towards the mitotic spindle, unlike astral microtubules. Interpolar microtubules are both the most abundant and dynamic subclass of microtubules during mitosis. Around 95 percent of microtubules in the mitotic spindle can be characterized as interpolar. Furthermore, the half life of these microtubules is extremely short as it is less than one minute. Interpolar microtubules that do not attach to the kinetochores can aid in chromosome congregation through lateral interaction with the kinetochores. K fibers/Kinetochore microtubules are the third important subclass of mitotic microtubules. These microtubules form direct connections with the kinetochores in the mitotic spindle. Each K fiber is composed of 20–40 parallel microtubules, forming a strong tube which is attached at one end to the centrosome and on the other to the kinetochore, located in the center of each chromosome. Since each centrosome has a K fiber connecting to each pair of chromosomes, the chromosomes become tethered in the middle of the mitotic spindle by the K fibers. K fibers have a much longer half life than interpolar microtubules, at between 4 and 8 minutes. During the end of mitoses, the microtubules forming each K fiber begin to disassociate, thus shorting the K fibers. As the K fibers shorten the pair chromosomes are pulled apart right before cytokinesis. Previously, some researchers believed that K fibers form at their minus end originating from the centrosome just like other microtubules, however, new research has pointed to a different mechanism. In this new mechanism, the K fibers are initially stabilized at their plus end by the kinetochores and grow out from there. The minus end of these K fibers eventually connect to an existing Interpolar microtubule and are eventually connected to the centrosome in this way.

Ядро микротубулей в митотическом шпинделе

Большинство микротрубочек, формирующих митотический шпиндель, происходят из центросомы. Изначально считалось, что все эти микротрубочки возникают из центросомы посредством метода, называемого «поиск и захват», который более подробно описан в разделе выше, однако новые исследования показали, что существуют дополнительные механизмы нуклеации микротрубочек во время митоза. Одним из наиболее важных из этих дополнительных механизмов нуклеации микротрубочек является путь RAN-GTP. RAN-GTP ассоциируется с хроматином во время митоза, создавая градиент, который обеспечивает локальную нуклеацию микротрубочек вблизи хромосом. Кроме того, второй путь, известный как комплекс аугмин/HAUS (некоторые организмы используют более изученный комплекс аугмин, в то время как другие, такие как люди, используют аналогичный комплекс под названием HAUS), выступает в качестве дополнительного механизма нуклеации микротрубочек в митотическом шпинделе. Динамические микротрубочки регулируют уровни ключевых G-белков, таких как RhoA и Rac1, которые регулируют сократимость клеток и расплывание клеток. Динамические микротрубочки также необходимы для запуска дезассемблирования фокальных адгезий, что необходимо для миграции. Было обнаружено, что микротрубочки действуют как «подпорки», противодействующие сократительным силам, необходимым для оттягивания заднего края во время движения клеток. Когда микротрубочки в заднем крае клетки динамичны, они способны к ремоделированию, позволяющему оттягиванию. При подавлении динамики микротрубочки не могут ремоделироваться и, следовательно, оказывают сопротивление сократительным силам. С другой стороны, высокие концентрации лекарственных препаратов или мутации микротрубочек, вызывающие деполимеризацию микротрубочек, могут восстановить миграцию клеток, но при этом теряется направленность. Таким образом, можно заключить, что микротрубочки действуют как для сдерживания движения клеток, так и для установления направленности.

Клещи и флагели

Микротрубочки играют важную структурную роль в эукариотических ресничках и жгутиках. Реснички и жгутики всегда отходят непосредственно от ЦМТ, в данном случае называемого базальным телом. Действие динеиновых моторных белков на различные микротрубочки, проходящие вдоль реснички или жгутика, позволяет органелле изгибаться и генерировать силу для плавания, перемещения внеклеточного материала и выполнения других функций. Прокариоты обладают белками, подобными тубулину, включая FtsZ. Однако прокариотические жгутики полностью отличаются по структуре от эукариотических жгутиков и не содержат структур, основанных на микротрубочках.

Разработка

Цитоскелет, образованный микротрубочками, необходим для морфогенетического процесса развития организма. Например, для установления оси яйца в яйцеклетке дрозофилы меланогастер во время эмбриогенеза требуется сеть поляризованных микротрубочек. Сигналы, передаваемые между фолликулярными клетками и яйцеклеткой (например, факторы, подобные эпидермальному фактору роста), вызывают реорганизацию микротрубочек таким образом, что их ( ) концы оказываются в нижней части яйцеклетки, поляризуя структуру и приводя к формированию передне-задней оси. Подобное участие в формировании архитектуры тела наблюдается и у млекопитающих. Еще одна область, где микротрубочки играют важную роль, – это развитие нервной системы у высших позвоночных, где динамика тубулина и ассоциированных с ним белков (таких как белки, связанные с микротрубочками) тонко регулируется в процессе развития нервной системы.

Регулирование генов

Клеточный цитоскелет – это динамическая система, функционирующая на многих уровнях: помимо придания клетке определенной формы и обеспечения транспорта везикул и органелл, он также может влиять на экспрессию генов. Механизмы передачи сигналов, задействованные в этой коммуникации, изучены недостаточно. Однако описана взаимосвязь между деполимеризацией микротрубочек под действием лекарственных препаратов и специфической экспрессией факторов транскрипции, что позволило получить данные о дифференциальной экспрессии генов в зависимости от присутствия этих факторов. Эта коммуникация между цитоскелетом и регуляцией клеточного ответа также связана с действием факторов роста, например, для фактора роста соединительной ткани.