Актин: структура, функции и роль в клеточных процессах.

Введение

Семейство белков

Способность клетки динамически формировать микрофиламенты обеспечивает каркас, позволяющий ей быстро реорганизовываться в ответ на окружающую среду или внутренние сигналы организма, например, для увеличения всасывания клеточной мембраны или усиления клеточной адгезии с целью образования клеточной ткани. Другие ферменты или органеллы, такие как реснички, могут быть закреплены на этом каркасе для контроля деформации внешней клеточной мембраны, что обеспечивает эндоцитоз и цитокинез. Он также может создавать движение самостоятельно или с помощью молекулярных моторов. Таким образом, актин участвует в таких процессах, как внутриклеточный транспорт везикул и органелл, а также сокращение мышц и клеточная миграция. Следовательно, он играет важную роль в эмбриогенезе, заживлении ран и инвазивности раковых клеток. Эволюционное происхождение актина можно проследить до прокариотических клеток, которые содержат аналогичные белки. Гомологи актина из прокариот и архей полимеризуются в различные спиральные или линейные филаменты, состоящие из одной или нескольких цепей. Однако контакты внутри цепи и участки связывания нуклеотидов сохраняются у прокариот и архей. В заключение, актин играет важную роль в контроле экспрессии генов. Значительное количество заболеваний вызывается мутациями в аллелях генов, регулирующих продукцию актина или его ассоциированных белков. Продукция актина также является ключевым фактором в процессе инфицирования некоторыми патогенными микроорганизмами. Мутации в различных генах, регулирующих продукцию актина у человека, могут вызывать мышечные заболевания, изменения в размере и функции сердца, а также глухоту. Состав цитоскелета также связан с патогенностью внутриклеточных бактерий и вирусов, особенно в процессах, связанных с избежанием действия иммунной системы.

Цитоскелет

Существует несколько различных типов актина с немного различающейся структурой и функциями. α-актин встречается исключительно в мышечных волокнах, а β- и γ-актин – в других клетках. Поскольку последние типы характеризуются высокой скоростью обновления, большинство из них находится вне постоянных структур. Микрофиламенты, обнаруженные в клетках, отличных от мышечных, представлены в трех формах: в этой структуре актиновые кольца, вместе со спектриновыми тетрамерами, связывающими соседние актиновые кольца, формируют целостный цитоскелет, поддерживающий мембрану аксона. Периодичность этой структуры также может регулировать натриевые ионные каналы в аксонах.

Дрожжи

Цитоскелет актина играет ключевую роль в процессах эндоцитоза, цитокинеза, определении полярности клеток и морфогенеза у дрожжей. Помимо актина, в эти процессы вовлечены 20–30 ассоциированных белков, обладающих высокой степенью эволюционной консервации, а также множество сигнальных молекул. Все эти элементы вместе обеспечивают пространственно и временно модулируемую сборку, определяющую реакцию клетки на внутренние и внешние стимулы. У дрожжей с актином связаны три основных элемента: пятна, кабельные структуры и кольца. Несмотря на непродолжительное существование, эти структуры находятся в динамическом равновесии благодаря непрерывной полимеризации и деполимеризации. Они содержат ряд дополнительных белков, включая ADF/кофилин с молекулярной массой 16 кДа, кодируемый одним геном – COF1; Aip1, кофактор кофилина, способствующий деполимеризации микрофиламентов; Srv2/CAP, регулятор процесса, связанный с белками аденилатциклазы; профилин с молекулярной массой около 14 кДа, взаимодействующий с мономерами актина; и твинфилин, белок массой 40 кДа, участвующий в организации пятен. Хотя у большинства растительных клеток есть клеточная стенка, определяющая их морфологию, их микрофиламенты способны генерировать достаточную силу для осуществления различных клеточных функций, таких как цитоплазматические потоки, создаваемые микрофиламентами и миозином. Актин также участвует в движении органелл и в клеточном морфогенезе, включающем деление клеток, а также удлинение и дифференцировку клеток. Наиболее важные белки, связанные с цитоскелетом актина у растений, включают: формины, способные выступать в качестве нуклеаторов полимеризации F-актина; миозин – типичный молекулярный мотор, характерный для эукариот, кодируемый 17 генами в двух различных классах у Arabidopsis thaliana; CHUP1, способный связываться с актином и участвующий в пространственном распределении хлоропластов в клетке; KAM1/MUR3, определяющий морфологию аппарата Гольджи, а также состав ксилоглюканов в клеточной стенке; NtWLIM1, способствующий формированию актиновых клеточных структур; и ERD10, участвующий в ассоциации органелл внутри мембран и микрофиламентов и, по-видимому, играющий роль в реакции организма на стресс.

Actin's cytoskeleton is key to the processes of endocytosis, cytokinesis, determination of cell polarity and morphogenesis in yeasts. In addition to relying on actin, these processes involve 20 or 30 associated proteins, which all have a high degree of evolutionary conservation, along with many signalling molecules. Together these elements allow a spatially and temporally modulated assembly that defines a cell's response to both internal and external stimuli. Yeasts contain three main elements that are associated with actin: patches, cables, and rings. Despite not being present for long, these structures are subject to a dynamic equilibrium due to continual polymerization and depolymerization. They possess a number of accessory proteins including ADF/cofilin, which has a molecular weight of 16kDa and is coded for by a single gene, called COF1; Aip1, a cofilin cofactor that promotes the disassembly of microfilaments; Srv2/CAP, a process regulator related to adenylate cyclase proteins; a profilin with a molecular weight of approximately 14 kDa that is related/associated with actin monomers; and twinfilin, a 40 kDa protein involved in the organization of patches. Even though the majority of plant cells have a cell wall that defines their morphology, their microfilaments can generate sufficient force to achieve a number of cellular activities, such as the cytoplasmic currents generated by the microfilaments and myosin. Actin is also involved in the movement of organelles and in cellular morphogenesis, which involve cell division as well as the elongation and differentiation of the cell. The most notable proteins associated with the actin cytoskeleton in plants include: formins, which are able to act as an F actin polymerization nucleating agent; myosin, a typical molecular motor that is specific to eukaryotes and which in Arabidopsis thaliana is coded for by 17 genes in two distinct classes; CHUP1, which can bind actin and is implicated in the spatial distribution of chloroplasts in the cell; KAM1/MUR3 that define the morphology of the Golgi apparatus as well as the composition of xyloglucans in the cell wall; NtWLIM1, which facilitates the emergence of actin cell structures; and ERD10, which is involved in the association of organelles within membranes and microfilaments and which seems to play a role that is involved in an organism's reaction to stress.

Ядерный актин

Ядерный актин был впервые обнаружен и описан в 1977 году Кларком и Мерриам. Авторы описали белок, присутствующий в ядерной фракции, выделенной из ооцитов Xenopus laevis, который обладает теми же свойствами, что и актин скелетных мышц. С тех пор было опубликовано множество научных работ, посвященных структуре и функциям актина в ядре (для обзора см.: Hofmann, 2009). Контролируемый уровень актина в ядре, его взаимодействие с актин-связывающими белками (ABP) и наличие различных изоформ позволяют актину играть важную роль во многих ключевых ядерных процессах.

Транспорт через ядерную мембрану

Актиновая последовательность не содержит ядерного локализационного сигнала. Небольшой размер актина (около 43 кДа) позволяет ему проникать в ядро посредством пассивной диффузии. Импорт актина в ядро (вероятно, в комплексе с кофилином) облегчается импортным белком импортин 9. Низкий уровень актина в ядре, по-видимому, имеет значение, поскольку актин содержит два ядерных экспортных сигнала (NES) в своей последовательности. Микроинъецированный актин быстро удаляется из ядра в цитоплазму. Экспорт актина происходит как минимум двумя путями, посредством экспортинов 1 и 6. Определенные модификации, такие как SUMOилирование, обеспечивают удержание актина в ядре. Мутация, блокирующая SUMOилирование, вызывает быстрый экспорт бета-актина из ядра.

Организация

Ядерный актин существует преимущественно в виде мономера, но также может формировать динамические олигомеры и короткие полимеры. Организация ядерного актина варьируется в разных типах клеток. Например, в яйцеклетках ксенопуса (с более высоким уровнем ядерного актина по сравнению с соматическими клетками) актин образует филаменты, которые стабилизируют архитектуру ядра. Эти филаменты можно наблюдать под микроскопом благодаря окрашиванию флуорофороконъюгированным фаллоидином. Анализ ингибирования DNase I, единственный метод, позволяющий количественно оценить полимеризованный актин непосредственно в биологических образцах, показал, что эндогенный ядерный актин действительно присутствует в основном в мономерной форме.

Актиновые изоформы

Различные изоформы актина присутствуют в ядре клетки. Уровень актин-изоформ может изменяться в ответ на стимуляцию роста клеток или остановку пролиферации и транскрипционной активности. Исследования ядерного актина сосредоточены на изоформе бета. Однако использование антител, направленных против различных изоформ актина, позволяет идентифицировать не только цитоплазматический бета-актин в ядре клетки, но и альфа- и гамма-актин в определенных типах клеток. Наличие различных изоформ актина может оказывать значительное влияние на его функцию в ядерных процессах, поскольку уровень отдельных изоформ может контролироваться независимо. Транскрипция – Актин участвует в реорганизации хроматина, инициировании транскрипции и взаимодействии с транскрипционным комплексом. Актин участвует в регуляции структуры хроматина, взаимодействуя с РНК-полимеразой I. Регуляция активности генов – Актин связывается с регуляторными областями различных генов. Способность актина регулировать активность генов используется в методе молекулярного перепрограммирования, который позволяет дифференцированным клеткам вернуться в эмбриональное состояние. Транслокация активированного фрагмента хромосомы из подмембранной области в эухроматин, где начинается транскрипция. Это движение требует взаимодействия актина и миозина. Интеграция различных клеточных компартментов. Актин – это молекула, которая интегрирует цитоплазматические и ядерные пути передачи сигналов. Примером является активация транскрипции в ответ на стимуляцию клеток сывороткой in vitro. Иммунный ответ. Ядерный актин полимеризуется при стимуляции Т-клеточного рецептора и необходим для экспрессии цитокинов и продукции антител in vivo. Ремонт ДНК. Ядерный актин опосредует восстановление разрывов двойных нитей ДНК. В ядре клетки нитевидный полимер актина (F-актин) действует как в пути восстановления ДНК посредством нехомологичного соединения концов, так и в пути гомологической рекомбинационной репарации. У расщепляющихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe актин активно формируется в сжимающем кольце с участием Arp3, формина Cdc12, профилина и WASp, а также предварительно сформированных микрофиламентов. После построения кольца структура поддерживается непрерывной сборкой и разборкой, которая, при помощи комплекса Arp2/3 и форминов, является ключевой для одного из центральных процессов цитокинеза.

Different isoforms of actin are present in the cell nucleus. The level of actin isoforms may change in response to stimulation of cell growth or arrest of proliferation and transcriptional activity. Research on nuclear actin is focused on isoform beta. However the use of antibodies directed against different actin isoforms allows identifying not only the cytoplasmic beta in the cell nucleus, but also alpha and gamma actin in certain cell types. The presence of different isoforms of actin may have a significant effect on its function in nuclear processes, as the level of individual isoforms can be controlled independently. Transcription – Actin is involved in chromatin reorganization, transcription initiation and interaction with the transcription complex. Actin takes part in the regulation of chromatin structure, interacting with RNA polymerase I,
Regulation of gene activity – Actin binds to the regulatory regions of different kinds of genes. Actin's ability to regulate gene activity is used in the molecular reprogramming method, which allows differentiated cells return to their embryonic state. Translocation of the activated chromosome fragment from under membrane region to euchromatin where transcription starts. This movement requires the interaction of actin and myosin. Integration of different cellular compartments. Actin is a molecule that integrates cytoplasmic and nuclear signal transduction pathways. An example is the activation of transcription in response to serum stimulation of cells in vitro. Immune response Nuclear actin polymerizes upon T cell receptor stimulation and is required for cytokine expression and antibody production in vivo. DNA repair Nuclear actin mediates the repair of DNA double strand breaks. In the cell nucleus, a filamentous polymer of actin (F actin) acts both in the DNA repair pathway of non homologous end joining and in the pathway of homologous recombinational repair. In the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, actin is actively formed in the constricting ring with the participation of Arp3, the formin Cdc12, profilin, and WASp, along with preformed microfilaments. Once the ring has been constructed the structure is maintained by a continual assembly and disassembly that, aided by the Arp2/3 complex and formins, is key to one of the central processes of cytokinesis.

Внутриклеточный трафик

Актин-миозиновые пары также могут участвовать в транспорте различных мембранных везикул и органелл внутри клетки. Миозин V активируется при связывании с различными грузовыми рецепторами на органеллах, а затем движется вдоль актинового филамента к (+) концу, перемещая свой груз вместе с собой. Эти нетрадиционные миозины используют гидролиз АТФ для направленной транспортировки грузов, таких как везикулы и органеллы, значительно быстрее, чем диффузия. Миозин V движется к колючему концу актиновых филаментов, а миозин VI – к заостренному концу. Большинство актиновых филаментов ориентированы колючим концом к клеточной мембране и заостренным концом внутрь клетки. Такая ориентация позволяет миозину V эффективно осуществлять экспорт грузов, а миозину VI – импорт.

Другие биологические процессы

Традиционное представление о функции актина связывает его с поддержанием цитоскелета и, следовательно, с организацией и движением органелл, а также с определением формы клетки. Однако актин играет более широкую роль в физиологии эукариотических клеток, в дополнение к аналогичным функциям в прокариотах. Апоптоз. Во время запрограммированной клеточной гибели протеазы семейства ICE/ced 3 (одна из протеаз, преобразующих интерлейкин 1β) расщепляют актин на два фрагмента in vivo: один фрагмент имеет массу 15 кДа, а другой – 31 кДа. Это один из механизмов, приводящих к гибели клеток и лежащий в основе апоптоза. Также было показано, что протеаза кальпаин участвует в этом типе клеточной деструкции; аналогичным образом, использование ингибиторов кальпаина снижает протеолиз актина и деградацию ДНК (ещё один характерный признак апоптоза). С другой стороны, индуцированный стрессом запуск апоптоза вызывает реорганизацию цитоскелета актина (включая его полимеризацию), приводя к образованию структур, называемых стрессовыми волокнами; этот процесс активируется MAP-киназным путем. Клеточная адгезия и развитие. Адгезия между клетками – характерная черта многоклеточных организмов, обеспечивающая специализацию тканей и, следовательно, повышение сложности клеток. Адгезия клеток эпителия включает цитоскелет актина в каждой из соединенных клеток, а также кадерины, выступающие в роли внеклеточных элементов, связь между которыми опосредована катенинами. Вмешательство в динамику актина оказывает влияние на развитие организма; актин настолько важен, что существуют системы избыточных генов. Например, удаление гена α-актинина или геляционного фактора у Dictyostelium не вызывает аномального фенотипа, возможно, из-за того, что каждый из белков может выполнять функцию другого. Однако развитие двойных мутаций, в которых отсутствуют оба гена, нарушается. Модуляция экспрессии генов. Состояние полимеризации актина влияет на паттерн экспрессии генов. В 1997 году было обнаружено, что деполимеризация, вызванная цитокаласином D в клетках Шванна, приводит к специфическому паттерну экспрессии генов, участвующих в миелинизации этого типа нервных клеток. Показано, что F-актин модифицирует транскриптом на некоторых стадиях жизненного цикла одноклеточных организмов, таких как гриб Candida albicans. Кроме того, белки, подобные актину, играют регуляторную роль во время сперматогенеза у мышей, а в дрожжах актин-подобные белки предположительно участвуют в регуляции экспрессии генов. Фактически, актин способен выступать в качестве инициатора транскрипции при взаимодействии с типом ядерного миозина, который взаимодействует с РНК-полимеразами и другими ферментами, участвующими в процессе транскрипции. Динамика стереоцилий. Некоторые клетки развивают тонкие нитевидные выросты на своей поверхности, выполняющие механосенсорную функцию. Например, этот тип органелл присутствует в органе Корти, расположенном во внутреннем ухе. Основная характеристика этих структур заключается в том, что их длина может изменяться. Молекулярная архитектура стереоцилий включает паракристаллическое ядро актина, находящееся в динамическом равновесии с мономерами, присутствующими в соседнем цитозоле. Миозины типов VI и VIIa присутствуют по всему ядру, а миозин XVa – в его дистальных концах в количестве, пропорциональном длине стереоцилий. Внутренняя хиральность. Актомиозиновые сети были вовлечены в генерацию внутренней хиральности в отдельных клетках. Клетки, выращенные на хиральных поверхностях, могут проявлять направленную лево/право-стороневую предрасположенность, зависящую от актомиозина.

The traditional image of actin's function relates it to the maintenance of the cytoskeleton and, therefore, the organization and movement of organelles, as well as the determination of a cell's shape. However, actin has a wider role in eukaryotic cell physiology, in addition to similar functions in prokaryotes. Apoptosis. During programmed cell death the ICE/ced 3 family of proteases (one of the interleukin 1β converter proteases) degrade actin into two fragments in vivo; one of the fragments is 15 kDa and the other 31 kDa. This represents one of the mechanisms involved in destroying cell viability that form the basis of apoptosis. The protease calpain has also been shown to be involved in this type of cell destruction; just as the use of calpain inhibitors has been shown to decrease actin proteolysis and the degradation of DNA (another of the characteristic elements of apoptosis). On the other hand, the stress induced triggering of apoptosis causes the reorganization of the actin cytoskeleton (which also involves its polymerization), giving rise to structures called stress fibers; this is activated by the MAP kinase pathway. Cellular adhesion and development. The adhesion between cells is a characteristic of multicellular organisms that enables tissue specialization and therefore increases cell complexity. Adhesion of cell epithelia involves the actin cytoskeleton in each of the joined cells as well as cadherins acting as extracellular elements with the connection between the two mediated by catenins. Interfering in actin dynamics has repercussions for an organism's development, in fact actin is such a crucial element that systems of redundant genes are available. For example, if the α actinin or gelation factor gene has been removed in Dictyostelium individuals do not show an anomalous phenotype possibly due to the fact that each of the proteins can perform the function of the other. However, the development of double mutations that lack both gene types is affected. Gene expression modulation. Actin's state of polymerization affects the pattern of gene expression. In 1997, it was discovered that cytocalasin D mediated depolymerization in Schwann cells causes a specific pattern of expression for the genes involved in the myelinization of this type of nerve cell. F actin has been shown to modify the transcriptome in some of the life stages of unicellular organisms, such as the fungus Candida albicans. In addition, proteins that are similar to actin play a regulatory role during spermatogenesis in mice and, in yeasts, actin like proteins are thought to play a role in the regulation of gene expression. In fact, actin is capable of acting as a transcription initiator when it reacts with a type of nuclear myosin that interacts with RNA polymerases and other enzymes involved in the transcription process. Stereocilia dynamics. Some cells develop fine filiform outgrowths on their surface that have a mechanosensory function. For example, this type of organelle is present in the Organ of Corti, which is located in the ear. The main characteristic of these structures is that their length can be modified. The molecular architecture of the stereocilia includes a paracrystalline actin core in dynamic equilibrium with the monomers present in the adjacent cytosol. Type VI and VIIa myosins are present throughout this core, while myosin XVa is present in its extremities in quantities that are proportional to the length of the stereocilia. Intrinsic chirality. Actomyosin networks have been implicated in generating an intrinsic chirality in individual cells. Cells grown out on chiral surfaces can show a directional left/right bias that is actomyosin dependent.

Ф-актин

В различных условиях молекулы G-актина полимеризуются в более длинные нити, называемые "филаментными" или "F-актином". Эти F-актинные нити обычно состоят из двух спиральных нитей актина, обмотанных друг вокруг друга, образуя спираль шириной от 7 до 9 нанометров, которая повторяется каждые 72 нанометра (или каждые 14 G-актинных субъединиц). В F-актинных нитях молекулы G-актина ориентированы в одном направлении. Два конца F-актинной нити различны. На одном конце, обозначенном как (−) конец, щель связывания АТФ терминальной молекулы актина обращена наружу. На противоположном конце, обозначенном (+), щель связывания АТФ скрыта в нити, контактируя с соседней молекулой актина. По мере роста нитей F-актина новые молекулы, как правило, присоединяются к (+) концу существующей нити F-актина. И наоборот, нити, как правило, сокращаются, теряя мономеры актина с конца (−). Некоторые белки, такие как кофилин, по-видимому, увеличивают угол поворота, но это также можно интерпретировать как установление различных структурных состояний, которые могут быть важны в процессе полимеризации. Существует меньше согласия относительно измерений радиуса поворота и толщины нити: в то время как первые модели присваивали длину 25 Å, современные данные рентгеновской дифракции, подтвержденные криоэлектронной микроскопией, указывают на длину 23,7 Å. Эти исследования показали точные точки контакта между мономерами. Некоторые из них образуются с использованием единиц одной цепи, между "колючим" концом одного мономера и "острым" концом следующего. В то время как мономеры в соседних цепях вступают в боковой контакт через проекции из поддомена IV, причем наиболее важными проекциями являются те, которые образуются C-концевым доменом и гидрофобной связью, образованной тремя остатками: 39–42, 201–203 и 286. Эта модель предполагает, что нить образуется мономерами в "листовой" конфигурации, в которой поддомены вращаются вокруг себя; эта форма также встречается в бактериальном гомологе актина MreB. S1-фрагмент состоит из головной и шейной областей миозина II. В физиологических условиях G-актин (мономерная форма) превращается в F-актин (полимерную форму) под действием АТФ, где роль АТФ является существенной. Спиральная F-актинная нить, обнаруженная в мышцах, также содержит молекулу тропомиозина, представляющую собой белок длиной 40 нанометров, обернутый вокруг спирали F-актина. F-актин одновременно прочен и динамичен. В отличие от других полимеров, таких как ДНК, составные элементы которых связаны ковалентными связями, мономеры актиновых нитей собираются более слабыми связями. Боковые связи с соседними мономерами компенсируют эту аномалию, которая теоретически должна ослабить структуру, поскольку они могут быть разорваны термической агитацией. Кроме того, слабые связи дают преимущество в том, что концы нити могут легко высвобождать или включать мономеры. Это означает, что нити могут быстро ремоделироваться и изменять клеточную структуру в ответ на стимулы окружающей среды, что вместе с биохимическим механизмом, посредством которого это происходит, известно как "динамика сборки". Однако способ, которым он приобретает свою полностью функциональную форму из своей недавно синтезированной нативной формы, является особенным и почти уникальным в протеомии. Причиной этого специального пути может быть необходимость избежать присутствия неправильно свернутых мономеров актина, которые могут быть токсичными, поскольку они могут выступать в качестве неэффективных терминаторов полимеризации. Тем не менее, это является ключевым фактором для обеспечения стабильности цитоскелета и, кроме того, является важным процессом для координации клеточного цикла. CCT необходим для обеспечения правильного сворачивания. CCT — это шаперонин группы II, крупный белковый комплекс, который помогает в сворачивании других белков. CCT состоит из двойного кольца из восьми различных субъединиц (гетерооктамер) и отличается от шаперонинов группы I, таких как GroEL, которые встречаются в эубактериях и органеллах эукариот, поскольку не требует со-шаперона для выполнения функции крышки над центральной каталитической полостью. Субстраты связываются с CCT через специфические домены. Первоначально считалось, что он связывается только с актином и тубулином, хотя недавние исследования иммунопреципитации показали, что он взаимодействует с большим количеством полипептидов, которые, возможно, функционируют в качестве субстратов. Он действует посредством АТФ-зависимых конформационных изменений, которые иногда требуют нескольких раундов высвобождения и катализа для завершения реакции. Для успешного завершения сворачивания и актин, и тубулин должны взаимодействовать с другим белком, называемым префолдином, который представляет собой гетерогексамерный комплекс (образованный шестью различными субъединицами) во взаимодействии, настолько специфичном, что молекулы коэволюционировали. Актин комплексируется с префолдином, пока он еще формируется, когда его длина составляет примерно 145 аминокислот, особенно в N-концевом домене. Для актина или тубулина используются разные субъединицы распознавания, хотя некоторое перекрытие существует. В актине субъединицы, связывающиеся с префолдином, вероятно, PFD3 и PFD4, которые связываются в двух местах: одно между остатками 60–79, а другое между остатками 170–198. Актин распознается, загружается и доставляется к цитозольному шаперонину (CCT) во "открытой" конформации внутренним концом "щупалец" префолдина (см. изображение и примечание). Затем CCT вызывает последовательное сворачивание актина, образуя связи со своими субъединицами, а не просто заключая его в свою полость. Именно поэтому он обладает специфическими областями распознавания в своем апикальном β-домене. Первая стадия сворачивания состоит в распознавании остатков 245–249. Затем устанавливают контакт другие детерминанты. И актин, и тубулин связываются с CCT в открытых конформациях в отсутствие АТФ. В случае актина во время каждого конформационного изменения связываются две субъединицы, в то время как для тубулина связывание происходит с четырьмя субъединицами. Актин имеет специфические связывающие последовательности, которые взаимодействуют с δ и β субъединицами CCT или с δ CCT и ε CCT. После связывания AMP PNP с CCT субстраты перемещаются внутри полости шаперонина. Также представляется, что в случае актина необходим белок CAP в качестве возможного кофактора в конечных состояниях сворачивания актина. Точные молекулярные детали каталитического механизма до сих пор полностью не выяснены. Хотя по этому вопросу ведутся многочисленные споры, представляется определенным, что для гидролиза АТФ требуется "закрытая" конформация, и предполагается, что участвующие в этом процессе остатки перемещаются на соответствующее расстояние.

Under various conditions, G actin molecules polymerize into longer threads called "filamentous " or "F actin". These F actin threads are typically composed of two helical strands of actin wound around each other, forming a 7 to 9 nanometer wide helix that repeats every 72 nanometers (or every 14 G actin subunits). In F actin threads, G actin molecules are all oriented in the same direction. The two ends of the F actin thread are distinct from one another. At one end – designated the (−) end – the ATP binding cleft of the terminal actin molecule is facing outward. At the opposite end – designated (+) – the ATP binding cleft is buried in the filament, contacting the neighboring actin molecule. As F actin threads grow, new molecules tend to join at the (+) end of an existing F actin strand. Conversely, threads tend to shrink by shedding actin monomers from the strand's ( ) end. Some proteins, such as cofilin appear to increase the angle of turn, but again this could be interpreted as the establishment of different structural states. These could be important in the polymerization process. There is less agreement regarding measurements of the turn radius and filament thickness: while the first models assigned a length of 25 Å, current X ray diffraction data, backed up by cryo electron microscopy suggests a length of 23.7 Å. These studies have shown the precise contact points between monomers. Some are formed with units of the same chain, between the "barbed" end on one monomer and the "pointed" end of the next one. While the monomers in adjacent chains make lateral contact through projections from subdomain IV, with the most important projections being those formed by the C terminus and the hydrophobic link formed by three bodies involving residues 39–42, 201–203, and 286. This model suggests that a filament is formed by monomers in a "sheet" formation, in which the subdomains turn about themselves, this form is also found in the bacterial actin homologue MreB. A S1 fragment is composed of the head and neck domains of myosin II. Under physiological conditions, G actin (the monomer form) is transformed to F actin (the polymer form) by ATP, where the role of ATP is essential. The helical F actin filament found in muscles also contains a tropomyosin molecule, which is a 40 nanometre long protein that is wrapped around the F actin helix. F actin is both strong and dynamic. Unlike other polymers, such as DNA, whose constituent elements are bound together with covalent bonds, the monomers of actin filaments are assembled by weaker bonds. The lateral bonds with neighbouring monomers resolve this anomaly, which in theory should weaken the structure as they can be broken by thermal agitation. In addition, the weak bonds give the advantage that the filament ends can easily release or incorporate monomers. This means that the filaments can be rapidly remodelled and can change cellular structure in response to an environmental stimulus. Which, along with the biochemical mechanism by which it is brought about is known as the "assembly dynamic". However, the way it acquires its fully functional form from its newly synthesized native form is special and almost unique in protein chemistry. The reason for this special route could be the need to avoid the presence of incorrectly folded actin monomers, which could be toxic as they can act as inefficient polymerization terminators. Nevertheless, it is key to establishing the stability of the cytoskeleton, and additionally, it is an essential process for coordinating the cell cycle. CCT is required in order to ensure that folding takes place correctly. CCT is a group II chaperonin, a large protein complex that assists in the folding of other proteins. CCT is formed of a double ring of eight different subunits (hetero octameric) and it differs from group I chaperonins like GroEL, which is found in Eubacteria and in eukaryotic organelles, as it does not require a co chaperone to act as a lid over the central catalytic cavity. Substrates bind to CCT through specific domains. It was initially thought that it only bound with actin and tubulin, although recent immunoprecipitation studies have shown that it interacts with a large number of polypeptides, which possibly function as substrates. It acts through ATP dependent conformational changes that on occasion require several rounds of liberation and catalysis in order to complete a reaction. In order to successfully complete their folding, both actin and tubulin need to interact with another protein called prefoldin, which is a heterohexameric complex (formed by six distinct subunits), in an interaction that is so specific that the molecules have coevolved. Actin complexes with prefoldin while it is still being formed, when it is approximately 145 amino acids long, specifically those at the N terminal. Different recognition sub units are used for actin or tubulin although there is some overlap. In actin the subunits that bind with prefoldin are probably PFD3 and PFD4, which bind in two places one between residues 60–79 and the other between residues 170–198. The actin is recognized, loaded, and delivered to the cytosolic chaperonin (CCT) in an open conformation by the inner end of prefoldin's "tentacles" (see the image and note). The CCT then causes actin's sequential folding by forming bonds with its subunits rather than simply enclosing it in its cavity. This is why it possesses specific recognition areas in its apical β domain. The first stage in the folding consists of the recognition of residues 245–249. Next, other determinants establish contact. Both actin and tubulin bind to CCT in open conformations in the absence of ATP. In actin's case, two subunits are bound during each conformational change, whereas for tubulin binding takes place with four subunits. Actin has specific binding sequences, which interact with the δ and β CCT subunits or with δ CCT and ε CCT. After AMP PNP is bound to CCT the substrates move within the chaperonin's cavity. It also seems that in the case of actin, the CAP protein is required as a possible cofactor in actin's final folding states. The exact molecular details of the catalytic mechanism are still not fully understood. Although there is much debate on this issue, it seems certain that a "closed" conformation is required for the hydrolysis of ATP, and it is thought that the residues that are involved in the process move to the appropriate distance.

Динамика сборки

Актиновые нити часто быстро собираются и разбираются, позволяя им создавать силу и поддерживать движение клеток. Сборка классически происходит в три этапа. Первый – "фаза нуклеации", в ходе которой две-три молекулы G-актина медленно объединяются, образуя небольшой олигомер, который инициирует дальнейший рост.

Актин-связывающие белки

Актин цитоскелет in vivo не состоит исключительно из актина, для его формирования, поддержания и функционирования необходимы другие белки. Эти белки называются актин-связывающими белками и участвуют в полимеризации, деполимеризации, стабилизации и организации актина. Разнообразие этих белков настолько велико, что актин считается белком, участвующим в наибольшем количестве белок-белковых взаимодействий. Нуклеация новых актиновых филаментов – лимитирующая стадия актиновой полимеризации – облегчается актинонуклеационными белками, такими как формины (например, формин 2) и комплекс Arp2/3. Формины способствуют нуклеации длинных актиновых филаментов. Они связывают две свободные молекулы актин-АТФ, объединяя их. Затем, по мере роста филамента, формин движется вдоль (+) конца растущего филамента, постоянно рекрутируя актин-связывающие белки, которые стимулируют рост филамента, и исключая концевые белки, которые блокируют его удлинение. Ветвление актиновых филаментов обычно нуклеируется комплексом Arp2/3 совместно с факторами, способствующими нуклеации. Факторы, способствующие нуклеации, связывают две свободные молекулы G-актина, затем рекрутируют и активируют комплекс Arp2/3. Активированный комплекс Arp2/3 прикрепляется к существующему актиновому филаменту и использует две связанные молекулы G-актина для нуклеации нового актинового филамента, ответвляющегося от старого под углом 70°. По мере роста филаментов, пул доступных молекул G-актина регулируется G-актин-связывающими белками, такими как профилин и тимозин β4. Профилин обеспечивает запас доступного актин-АТФ, связываясь с G-актином, связанным с АДФ, и способствуя обмену АДФ на АТФ. Связывание профилина с молекулой актина физически блокирует ее добавление к (−) концу филамента, но позволяет присоединиться к (+) концу. После того, как актин-АТФ присоединился к филаменту, профилин высвобождает его. Поскольку формины способствуют нуклеации и удлинению новых актиновых филаментов, они рекрутируют профилин в область, увеличивая локальную концентрацию актин-АТФ для усиления роста филаментов. В отличие от этого, тимозин β4 связывает и секвестрирует актин-АТФ, предотвращая его присоединение к микрофиламенту. После формирования актинового волокна, динамика его роста или коллапса находится под влиянием многочисленных белков. Существующие филаменты могут быть прерваны белками, расщепляющими филаменты, такими как кофилин и гельзолин. Кофилин связывается вдоль двух молекул актин-АДФ в филаменте, вызывая движение, которое дестабилизирует филамент и приводит к его разрыву. Гельзолин вставляется между молекулами актина в филаменте, нарушая его структуру. После разрыва филамента гельзолин остается прикрепленным к новому (+) концу, предотвращая его рост и тем самым способствуя его деполимеризации. Другие белки связываются с концами актиновых филаментов, стабилизируя их. Они называются "концевыми белками" и включают CapZ и тропомодулин. CapZ связывает (+) конец филамента, предотвращая дальнейшее добавление или потерю актина с этого конца. Тропомодулин связывается с (−) концом филамента, также предотвращая добавление или потерю молекул на этом конце. Тропомодулин обычно содержится в клетках, требующих чрезвычайно стабильных актиновых филаментов, таких как мышечные и эритроциты. Эти актин-связывающие белки обычно регулируются различными клеточными сигналами для контроля динамики сборки актина в различных клеточных локализациях. Формины, например, обычно находятся в неактивной конформации, пока не активируются связыванием небольшой GTPase Rho. Ветвление актина на клеточной мембране важно для движения клеток, поэтому липид плазменной мембраны PIP2 активирует фактор, способствующий нуклеации, WASp, и ингибирует CapZ. WASp также активируется небольшой GTPase Cdc42, а другой фактор, способствующий нуклеации, WAVE, активируется GTPase Rac1.

The actin cytoskeleton in vivo is not exclusively composed of actin, other proteins are required for its formation, continuance, and function. These proteins are called actin binding proteins and they are involved in actin's polymerization, depolymerization, stability, and organisation. The diversity of these proteins is such that actin is thought to be the protein that takes part in the greatest number of protein protein interactions. The nucleation of new actin filaments – the rate limiting step in actin polymerization – is aided by actin nucleating proteins such as formins (like formin 2) and the Arp2/3 complex. Formins help to nucleate long actin filaments. They bind two free actin ATP molecules, bringing them together. Then as the filament begins to grow, formin moves along the (+) end of the growing filament, all the while recruiting actin binding proteins that promote filament growth, and excluding capping proteins that would block filament extension. Branches in actin filaments are typically nucleated by the Arp2/3 complex in concert with nucleation promoting factors. Nucleation promoting factors bind two free G actin molecules, then recruit and activate the Arp2/3 complex. The activated Arp2/3 complex attaches to an existing actin filament, and uses the two bound G actin molecules to nucleate a new actin filament branching off of the old one at a 70° angle. As filaments grow, the pool of available G actin molecules is managed by G actin binding proteins such as profilin and thymosin β 4. Profilin ensures a supply of available actin ATP by binding to ADP bound G actin and promoting the exchange of ADP for ATP. Profilin's binding to the actin molecule physically blocks its addition to a filament's (−) end, but permits it to join the (+) end. Once the actin ATP has joined the filament, profilin releases it. As formins promote the nucleation and extension of new actin filaments, they recruit profilin to the area, increasing the local concentration of actin ATP to boost filament growth. In contrast, thymosin β 4 binds and sequesters actin ATP, preventing it from joining a microfilament. Once an actin fiber is established, the dynamics of its growth or collapse are influenced by numerous proteins. Existing strands can be interrupted by filament cleaving proteins, such as cofilin and gelsolin. Cofilin binds along two actin ADP molecules in a filament, forcing a movement that destabilizes the filament and causes it to break. Gelsolin inserts itself between actin molecules in a filament, disrupting the filament. After the filament breaks, gelsolin remains attached to the new (+) end, preventing it from growing, thus forcing its disassembly. Other proteins bind to the ends of actin filaments, stabilizing them. These are called "capping proteins" and include CapZ and tropomodulin. CapZ binds the (+) end of a filament, preventing further addition or loss of actin from that end. Tropomodulin binds to a filament's (−) end, again preventing addition or loss of molecule's at that end. Tropomodulin is typically found in cells that require extremely stable actin filaments, such as those in muscle and red blood cells. These actin binding proteins are typically regulated by various cellular signals to control actin assembly dynamics in different cellular locations. Formins, for example, are typically folded in an inactive conformation until they're activated by the binding of the small GTPase Rho. Actin branching at the cell membrane is important for cell movement, and so the plasma membrane lipid PIP2 activates the nucleation promoting factor WASp and inhibits CapZ. WASp is also activated by the small GTPase Cdc42, while another nucleation promoting factor WAVE is activated by the GTPase Rac1.

Генетика

Хотя большинство дрожжей имеют только один ген актина, высшие эукариоты, как правило, экспрессируют несколько изоформ актина, кодируемых семейством родственных генов. У млекопитающих есть по крайней мере шесть изоформ актина, кодируемых отдельными генами, которые подразделяются на три класса – альфа, бета и гамма – в соответствии с их изоэлектрическими точками. В общем, альфа-актины обнаруживаются в мышечной ткани (α-скелетный, α-аортальный гладкомышечный, α-сердечный), в то время как бета- и гамма-изоформы преобладают в немышечных клетках (β-цитоплазматический, γ1-цитоплазматический, γ2-кишечный гладкомышечный). Хотя аминокислотные последовательности и свойства изоформ in vitro очень похожи, эти изоформы не могут полностью замещать друг друга in vivo. Растения содержат более 60 генов и псевдогенов актина. Типичный ген актина имеет приблизительно 100 нуклеотидов в 5'-UTR, 1200 нуклеотидов в транслируемой области и 200 нуклеотидов в 3'-UTR. Большинство генов актина прерываются интронами, содержащими до шести интронов в любом из 19 хорошо охарактеризованных положений. Высокая степень консервации этого семейства делает актин предпочтительной моделью для исследований, сравнивающих ранние и поздние модели эволюции интронов.

Эволюция

Актин и близкородственные белки присутствуют во всех организмах, что позволяет предположить, что общий предок всей жизни на Земле обладал актином. Актин – один из наиболее консервативных белков в ходе эволюции эукариот. Последовательности актин-белков животных и амеб идентичны на 80%, несмотря на то, что их разделяет приблизительно один миллиард лет эволюции. Многие одноклеточные эукариоты имеют единственный ген актина, тогда как многоклеточные эукариоты часто обладают несколькими тесно связанными генами, выполняющими специализированные функции. У человека их шесть, у растений – десять и более. Помимо актина, у эукариот существует большое семейство актин-родственных белков, или "Arp", которые имеют общего предка с актином и обозначаются как Arp1–Arp11, при этом Arp1 наиболее тесно связан с актином, а Arp11 – наименее. Бактерии кодируют три типа актина: MreB влияет на форму клетки, FtsA – на деление клеток, а ParM – на разделение крупных плазмид. Некоторые археи содержат ген MreB, сходный с бактериальным, в то время как другие имеют ген актина, более близкий к актину эукариот. Цитоскелет эукариотических организмов, принадлежащих ко всем таксономическим группам, имеет компоненты, аналогичные актину и тубулину. Например, белок, кодируемый геном ACTG2 у человека, полностью эквивалентен гомологам, присутствующим у крыс и мышей, хотя сходство на уровне нуклеотидов снижается до 92%. Некоторые авторы отмечают, что поведение актина, тубулина и гистона – белка, участвующего в стабилизации и регуляции ДНК – схоже в их способности связывать нуклеотиды и использовать броуновское движение. Также было предложено, что у всех этих белков есть общий предок. Таким образом, эволюционные процессы привели к диверсификации предковых белков в существующие сегодня варианты, сохраняя, в частности, актины как эффективные молекулы, способные выполнять важнейшие предковые биологические процессы, такие как эндоцитоз. Комплекс Arp2/3 широко распространен во всех эукариотических организмах.

Эквиваленты у прокариотов

Бактериальный цитоскелет содержит белки, высокоподобные мономерaм и полимерам актина. Бактериальный белок MreB полимеризуется в тонкие не спиральные нити и иногда – в спиральные структуры, сходные с F-актином. Более того, его кристаллическая структура очень похожа на структуру G-актина (в плане трехмерной конформации), имеются даже сходства между протофиламентами MreB и F-актином. Бактериальный цитоскелет также содержит белки FtsZ, гомологичные тубулину. Таким образом, бактерии обладают цитоскелетом с гомологичными элементами актина (например, MreB, AlfA, ParM, FtsA и MamK), хотя аминокислотная последовательность этих белков отличается от таковой в клетках животных. Однако эти белки демонстрируют высокую степень структурного сходства с эукариотическим актином. Высокодинамичные микрофиламенты, формирующиеся при агрегации MreB и ParM, необходимы для жизнеспособности клеток и участвуют в морфогенезе, сегрегации хромосом и формировании клеточной полярности. ParM – гомолог актина, кодируемый плазмидой, и участвует в регуляции ДНК плазмиды. ParM из различных бактериальных плазмид способен образовывать удивительно разнообразные спиральные структуры, состоящие из двух или четырех нитей, для обеспечения точного наследования плазмид. У архей гомолог Ta0583 еще более похож на эукариотические актины.

Молекулярная патология

Большинство млекопитающих обладают шестью различными генами актина. Из них два кодируют цитоскелет (ACTB и ACTG1), а остальные четыре участвуют в скелетной полосатой мышце (ACTA1), гладкой мышечной ткани (ACTA2), мышцах кишечника (ACTG2) и сердечной мышце (ACTC1). Актин в цитоскелете вовлечен в патогенные механизмы многих инфекционных агентов, включая ВИЧ. Подавляющее большинство мутаций, влияющих на актин, являются точечными и проявляют доминантный эффект, за исключением шести мутаций, связанных с немалиновой миопатией. Это объясняется тем, что во многих случаях мутантный мономер актина действует как "пробка", препятствуя удлинению F-актина. Его последовательность ДНК состоит из семи экзонов, которые продуцируют пять известных транскриптов. Большинство из них представляют собой точечные мутации, вызывающие замену аминокислот. Мутации во многих случаях ассоциированы с фенотипом, определяющим тяжесть и течение заболевания. Несмотря на схожесть фенотипов, некоторые специалисты, помимо типичной немалиновой миопатии, выделяют актиническую немалиновую миопатию. В первом случае вместо типичных стержней формируются скопления актина. Важно отметить, что у пациента при биопсии может наблюдаться более одного из этих фенотипов. Наиболее распространенные симптомы включают характерную морфологию лица (миопатическое лицо), мышечную слабость, задержку моторного развития и респираторные нарушения. Течение болезни, ее тяжесть и возраст дебюта варьируются, а также встречаются перекрывающиеся формы миопатии. Признаком немалиновой миопатии является появление "немалиновых стержней" в различных участках мышечных волокон 1 типа. Эти стержни не являются патогномоничными структурами и имеют состав, сходный с Z-дисками саркомера. Патогенез этой миопатии весьма разнообразен. Многие мутации возникают в области углубления актина вблизи его сайтов связывания нуклеотидов, другие – в Домене 2 или в областях, где происходит взаимодействие с ассоциированными белками. Это частично объясняет разнообразие сгустков, формирующихся в этих случаях, таких как немалиновые тела, внутриядерные тела или тела Цебры. С другой стороны, представляется, что мутации в ACTA1, приводящие к CFTDM, оказывают большее влияние на функцию саркомера, чем на его структуру. Недавние исследования направлены на понимание этого кажущегося парадокса, который предполагает отсутствие четкой корреляции между количеством стержней и мышечной слабостью. Похоже, что некоторые мутации способны индуцировать повышенную скорость апоптоза в мышечных волокнах II типа.

The majority of mammals possess six different actin genes. Of these, two code for the cytoskeleton (ACTB and ACTG1) while the other four are involved in skeletal striated muscle (ACTA1), smooth muscle tissue (ACTA2), intestinal muscles (ACTG2) and cardiac muscle (ACTC1). The actin in the cytoskeleton is involved in the pathogenic mechanisms of many infectious agents, including HIV. The vast majority of the mutations that affect actin are point mutations that have a dominant effect, with the exception of six mutations involved in nemaline myopathy. This is because in many cases the mutant of the actin monomer acts as a "cap" by preventing the elongation of F actin. Its DNA sequence consists of seven exons that produce five known transcripts. The majority of these consist of point mutations causing substitution of amino acids. The mutations are in many cases associated with a phenotype that determines the severity and the course of the affliction. Although their phenotypes are similar, in addition to typical nemaline myopathy some specialists distinguish another type of myopathy called actinic nemaline myopathy. In the former, clumps of actin form instead of the typical rods. It is important to state that a patient can show more than one of these phenotypes in a biopsy. The most common symptoms consist of a typical facial morphology (myopathic facies), muscular weakness, a delay in motor development and respiratory difficulties. The course of the illness, its gravity, and the age at which it appears are all variable and overlapping forms of myopathy are also found. A symptom of nemaline myopathy is that "nemaline rods" appear in differing places in type 1 muscle fibres. These rods are non pathognomonic structures that have a similar composition to the Z disks found in the sarcomere. The pathogenesis of this myopathy is very varied. Many mutations occur in the region of actin's indentation near to its nucleotide binding sites, while others occur in Domain 2, or in the areas where interaction occurs with associated proteins. This goes some way to explain the great variety of clumps that form in these cases, such as Nemaline or Intranuclear Bodies or Zebra Bodies. On the other hand, it appears that mutations to ACTA1 that give rise to a CFTDM have a greater effect on sarcomeric function than on its structure. Recent investigations have tried to understand this apparent paradox, which suggests there is no clear correlation between the number of rods and muscular weakness. It appears that some mutations are able to induce a greater apoptosis rate in type II muscular fibres.]]

В сердечной мышце

Ген ACTC1 кодирует изоформу α-актина, присутствующую в сердечной мышце. Он был впервые секвенирован Хамадой и его соавторами в 1982 году, когда было установлено, что он содержит пять интронов. Это был первый из шести генов, в которых были обнаружены аллели, связанные с патологическими процессами. Описано несколько структурных нарушений, связанных с точечными мутациями этого гена, вызывающими нарушение функции сердца, таких как дилатационная кардиомиопатия типа 1R и гипертрофическая кардиомиопатия типа 11. Недавно были описаны некоторые дефекты межпредсердной перегородки, которые также могут быть связаны с этими мутациями. Изучены два случая дилатационной кардиомиопатии, включающие замену высококонсервативных аминокислот, принадлежащих к белковым доменам, которые связываются и взаимодействуют с Z-дисками. Это привело к гипотезе о том, что дилатация возникает из-за дефекта в передаче сократительной силы в миоцитах. Также обнаружен ряд точечных мутаций: Мутация E101K: изменение чистого заряда и формирование слабой электростатической связи в месте связывания актомиозина. P166A: зона взаимодействия между мономерами актина. A333P: зона взаимодействия актина и миозина. Патогенез, по-видимому, включает компенсаторный механизм: мутировавшие белки действуют как токсины с доминантным эффектом, снижая способность сердца к сокращению и вызывая аномальное механическое поведение, в результате чего гипертрофия, обычно происходящая с задержкой, является следствием нормальной реакции сердечной мышцы на стресс. Недавние исследования выявили мутации ACTC1, связанные с двумя другими патологическими состояниями: идиопатической рестриктивной кардиомиопатией у младенцев и некомпактностью миокарда левого желудочка.

Другие патологические механизмы

Некоторые инфекционные агенты используют актин, особенно цитоплазматический актин, в своем жизненном цикле. В бактериях присутствуют две основные формы: Listeria monocytogenes, некоторые виды Rickettsia, Shigella flexneri и другие внутриклеточные микроорганизмы покидают фагоцитарные вакуоли, покрывая себя капсулой из актиновых нитей. L. monocytogenes и S. flexneri оба генерируют хвост в форме «кометного хвоста», обеспечивающего им подвижность. Каждый вид демонстрирует небольшие различия в молекулярном механизме полимеризации своих «кометных хвостов». Наблюдались различные скорости перемещения, при этом Listeria и Shigella оказались самыми быстрыми. Многочисленные эксперименты продемонстрировали этот механизм in vitro. Это указывает на то, что бактерии не используют моторный белок, подобный миозину, и, по-видимому, их движение обусловлено давлением, создаваемым полимеризацией, происходящей вблизи клеточной стенки микроорганизма. Бактерии предварительно окружены АБП хозяина, и покрытие как минимум содержит комплекс Arp2/3, белки Ena/VASP, кофилин, буферный белок и промоторы нуклеации, такие как комплекс винкулина. С помощью этих движений они формируют выросты, достигающие соседних клеток и заражая их, в результате чего иммунная система может бороться с инфекцией только посредством клеточного иммунитета. Движение может быть вызвано изменением кривизны и деполимеризацией нитей. Другие виды, такие как Mycobacterium marinum и Burkholderia pseudomallei, также способны к локализованной полимеризации клеточного актина, облегчающей их движение посредством механизма, основанного на комплексе Arp2/3. Кроме того, вирус вакцины Vaccinia также использует элементы цитоскелета актина для своего распространения. Pseudomonas aeruginosa способна формировать защитную биопленку, чтобы избежать защиты организма-хозяина, особенно лейкоцитов и антибиотиков. Биопленка строится с использованием ДНК и актиновых нитей организма-хозяина. Помимо ранее упомянутого примера, полимеризация актина стимулируется на начальных этапах интернализации некоторых вирусов, в частности ВИЧ, например, путем инактивации комплекса кофилина. Роль актина в процессе инвазии раковых клеток до сих пор не установлена.

Some infectious agents use actin, especially cytoplasmic actin, in their life cycle. Two basic forms are present in bacteria:
Listeria monocytogenes, some species of Rickettsia, Shigella flexneri and other intracellular germs escape from phagocytic vacuoles by coating themselves with a capsule of actin filaments. L. monocytogenes and S. flexneri both generate a tail in the form of a "comet tail" that gives them mobility. Each species exhibits small differences in the molecular polymerization mechanism of their "comet tails". Different displacement velocities have been observed, for example, with Listeria and Shigella found to be the fastest. Many experiments have demonstrated this mechanism in vitro. This indicates that the bacteria are not using a myosin like protein motor, and it appears that their propulsion is acquired from the pressure exerted by the polymerization that takes place near to the microorganism's cell wall. The bacteria have previously been surrounded by ABPs from the host, and as a minimum the covering contains Arp2/3 complex, Ena/VASP proteins, cofilin, a buffering protein and nucleation promoters, such as vinculin complex. Through these movements they form protrusions that reach the neighbouring cells, infecting them as well so that the immune system can only fight the infection through cell immunity. The movement could be caused by the modification of the curve and debranching of the filaments. Other species, such as Mycobacterium marinum and Burkholderia pseudomallei, are also capable of localized polymerization of cellular actin to aid their movement through a mechanism that is centered on the Arp2/3 complex. In addition the vaccine virus Vaccinia also uses elements of the actin cytoskeleton for its dissemination. Pseudomonas aeruginosa is able to form a protective biofilm in order to escape a host organism's defences, especially white blood cells and antibiotics. The biofilm is constructed using DNA and actin filaments from the host organism. In addition to the previously cited example, actin polymerization is stimulated in the initial steps of the internalization of some viruses, notably HIV, by, for example, inactivating the cofilin complex. The role that actin plays in the invasion process of cancer cells has still not been determined.

Приложения

Актин используется в научных и технологических лабораториях в качестве пути для молекулярных двигателей, таких как миозин (как в мышечной ткани, так и вне ее), и как необходимый компонент для функционирования клеток. Он также может применяться в качестве диагностического инструмента, поскольку некоторые из его аномальных вариантов связаны с развитием определенных патологий. Нанотехнологии. Системы актин-миозина функционируют как молекулярные двигатели, обеспечивающие транспорт везикул и органелл по цитоплазме. Существует вероятность применения актина в нанотехнологиях, поскольку его динамические свойства были использованы в ряде экспериментов, в том числе в ацеллюлярных системах. Основная идея заключается в использовании микрофиламентов в качестве направляющих для молекулярных двигателей, способных транспортировать заданную нагрузку. Таким образом, актин может быть использован для определения траектории, по которой нагрузка может перемещаться более или менее контролируемым и направленным образом. В плане общих применений, он может быть использован для направленной доставки молекул с целью их размещения в определенных местах, что позволит контролируемо собирать наноструктуры. Эти свойства могут быть применены в лабораторных процессах, таких как «лаборатория на чипе», в механике нанокомпонентов и в нанотрансформаторах, преобразующих механическую энергию в электрическую. Актин используется в качестве внутреннего контроля при вестерн-блоттинге для подтверждения загрузки одинакового количества белка в каждую дорожку геля. На примере блота, представленного слева, в каждую лунку было загружено 75 мкг общего белка. Использование актина в качестве внутреннего контроля основано на предположении о практической постоянстве его экспрессии и независимости от экспериментальных условий. Сравнивая экспрессию интересующего гена с экспрессией актина, можно получить относительное значение, которое можно сопоставлять между различными экспериментами при условии постоянства экспрессии последнего. Следует отметить, что актин не всегда демонстрирует желаемую стабильность экспрессии гена. Здоровье. Некоторые аллели актина являются причиной заболеваний, поэтому были разработаны методы их выявления. Кроме того, актин может использоваться в качестве косвенного маркера в хирургической патологии: изменения в характере его распределения в тканях могут служить маркером инвазии при неоплазии, васкулите и других состояниях. Более того, благодаря тесной связи актина с аппаратом мышечного сокращения, его уровень в скелетных мышцах снижается при атрофии этих тканей, что позволяет использовать его в качестве маркера этого физиологического процесса. Пищевые технологии. Возможно определение качества некоторых переработанных продуктов, таких как колбасы, путем количественного определения содержания актина в составляющем мясе. Традиционно используется метод, основанный на обнаружении 3-метилгистидина в гидролизованных образцах этих продуктов, поскольку это соединение присутствует в актине и тяжелой цепи F-миозина (оба являются основными компонентами мышц). Образование этого соединения в мясе происходит в результате метилирования остатков гистидина, присутствующих в обоих белках.

Actin is used in scientific and technological laboratories as a track for molecular motors such as myosin (either in muscle tissue or outside it) and as a necessary component for cellular functioning. It can also be used as a diagnostic tool, as several of its anomalous variants are related to the appearance of specific pathologies. Nanotechnology. Actin myosin systems act as molecular motors that permit the transport of vesicles and organelles throughout the cytoplasm. It is possible that actin could be applied to nanotechnology as its dynamic ability has been harnessed in a number of experiments including those carried out in acellular systems. The underlying idea is to use the microfilaments as tracks to guide molecular motors that can transport a given load. That is actin could be used to define a circuit along which a load can be transported in a more or less controlled and directed manner. In terms of general applications, it could be used for the directed transport of molecules for deposit in determined locations, which would permit the controlled assembly of nanostructures. These attributes could be applied to laboratory processes such as on lab on a chip, in nanocomponent mechanics and in nanotransformers that convert mechanical energy into electrical energy. Actin is used as an internal control in western blots to ascertain that equal amounts of protein have been loaded on each lane of the gel. In the blot example shown on the left side, 75 μg of total protein was loaded in each well. The blot was reacted with anti β actin antibody (for other details of the blot see the reference )

The use of actin as an internal control is based on the assumption that its expression is practically constant and independent of experimental conditions. By comparing the expression of the gene of interest to that of the actin, it is possible to obtain a relative quantity that can be compared between different experiments, whenever the expression of the latter is constant. It is worth pointing out that actin does not always have the desired stability in its gene expression. Health. Some alleles of actin cause diseases; for this reason techniques for their detection have been developed. In addition, actin can be used as an indirect marker in surgical pathology: it is possible to use variations in the pattern of its distribution in tissue as a marker of invasion in neoplasia, vasculitis, and other conditions. Further, due to actin's close association with the apparatus of muscular contraction its levels in skeletal muscle diminishes when these tissues atrophy, it can therefore be used as a marker of this physiological process. Food technology. It is possible to determine the quality of certain processed foods, such as sausages, by quantifying the amount of actin present in the constituent meat. Traditionally, a method has been used that is based on the detection of 3 methylhistidine in hydrolyzed samples of these products, as this compound is present in actin and F myosin's heavy chain (both are major components of muscle). The generation of this compound in flesh derives from the methylation of histidine residues present in both proteins.

История

Актин впервые был экспериментально обнаружен в 1887 году У. Д. Галлибертоном, который извлек из мышц белок, вызывавший "свёртывание" препаратов миозина, который он назвал "миозиновым ферментом". Однако Галлибертон не смог развить свои результаты, и открытие актина приписывается вместо этого Бруно Ференцу Штраубу, молодому биохимику, работавшему в лаборатории Альберта Сент-Дьёрдя в Институте медицинской химии Сегедского университета в Венгрии. Продолжая исследования Илоны Банги и Сент-Дьёрдя, начатые в 1941 году, о том, что свёртывание происходит лишь в некоторых экстрактах миозина и обратимо при добавлении АТФ, Штрауб идентифицировал и очистил актин из тех препаратов миозина, которые действительно свёртывались. Основываясь на оригинальном методе экстракции Банги, он разработал новую методику выделения мышечного белка, позволившую ему получить значительное количество относительно чистого актина, что было опубликовано в 1942 году. Метод Штрауба по существу совпадает с тем, что используется в лабораториях и сегодня. Поскольку белок Штрауба был необходим для запуска свёртывания миозина, его назвали актином. Выяснив, что свёртывающие препараты миозина Банги также содержат актин, Сент-Дьёрдь назвал смесь обоих белков актомиозином. Враждебные действия Второй мировой войны помешали Сент-Дьёрдью опубликовать работы своей лаборатории в западных научных журналах. Таким образом, актин стал широко известен на Западе только в 1945 году, когда их статья была опубликована в виде приложения к Acta Physiologica Scandinavica. Штрауб продолжил изучение актина и в 1950 году сообщил, что актин содержит связанный АТФ и что в процессе полимеризации белка в микрофиламенты нуклеотид гидролизуется до АДФ и неорганического фосфата (которые остаются связанными с микрофиламентом). Штрауб предположил, что превращение АТФ-связанного актина в АДФ-связанный актин играет роль в мышечном сокращении. Однако это верно лишь для гладкой мускулатуры и не было подтверждено экспериментально до 2001 года. Секвенирование аминокислотной последовательности актина было завершено М. Эльзингой и её коллегами в 1973 году. Кристаллическая структура G-актина была определена в 1990 году Кабшем и его коллегами. В том же году Холмс и его коллеги предложили модель F-актина на основе экспериментов по сокристаллизации с различными белками. Кристин Ориоль Одит умерла в том же году, когда актин был впервые кристаллизован, но именно она в 1977 году впервые кристаллизовала актин в отсутствие актин-связывающих белков (АСБ). Однако полученные кристаллы были слишком малы для доступных в то время технологий. Хотя высокоразрешающей модели филаментозной формы актина в настоящее время не существует, в 2008 году группа Саваи смогла создать более точную модель его структуры на основе нескольких кристаллов димеров актина, связывающихся в разных местах. Эта модель впоследствии была усовершенствована Саваи и Лоренцем. Другие подходы, такие как криоэлектронная микроскопия и синхротронное излучение, в последнее время позволили повысить разрешение и лучше понять природу взаимодействий и конформационных изменений, связанных с образованием актиновых филаментов.

Actin was first observed experimentally in 1887 by W. D. Halliburton, who extracted a protein from muscle that 'coagulated' preparations of myosin that he called "myosin ferment". However, Halliburton was unable to further refine his findings, and the discovery of actin is credited instead to Brunó Ferenc Straub, a young biochemist working in Albert Szent Györgyi's laboratory at the Institute of Medical Chemistry at the University of Szeged, Hungary. Following up on the discovery of Ilona Banga & Szent Györgyi in 1941 that the coagulation only occurs in some myosin extractions and was reversed upon the addition of ATP, Straub identified and purified actin from those myosin preparations that did coagulate. Building on Banga's original extraction method, he developed a novel technique for extracting muscle protein that allowed him to isolate substantial amounts of relatively pure actin, published in 1942. Straub's method is essentially the same as that used in laboratories today. Since Straub's protein was necessary to activate the coagulation of myosin, it was dubbed actin. Realizing that Banga's coagulating myosin preparations contained actin as well, Szent Györgyi called the mixture of both proteins actomyosin. The hostilities of World War II meant Szent Gyorgyi was unable to publish his lab's work in Western scientific journals. Actin therefore only became well known in the West in 1945, when their paper was published as a supplement to the Acta Physiologica Scandinavica. Straub continued to work on actin, and in 1950 reported that actin contains bound ATP and that, during polymerization of the protein into microfilaments, the nucleotide is hydrolyzed to ADP and inorganic phosphate (which remain bound to the microfilament). Straub suggested that the transformation of ATP bound actin to ADP bound actin played a role in muscular contraction. In fact, this is true only in smooth muscle, and was not supported through experimentation until 2001. The amino acid sequencing of actin was completed by M. Elzinga and co workers in 1973. The crystal structure of G actin was solved in 1990 by Kabsch and colleagues. In the same year, a model for F actin was proposed by Holmes and colleagues following experiments using co crystallization with different proteins. Christine Oriol Audit died in the same year that actin was first crystallized but she was the researcher that in 1977 first crystallized actin in the absence of Actin Binding Proteins (ABPs). However, the resulting crystals were too small for the available technology of the time. Although no high resolution model of actin's filamentous form currently exists, in 2008 Sawaya's team were able to produce a more exact model of its structure based on multiple crystals of actin dimers that bind in different places. This model has subsequently been further refined by Sawaya and Lorenz. Other approaches such as the use of cryo electron microscopy and synchrotron radiation have recently allowed increasing resolution and better understanding of the nature of the interactions and conformational changes implicated in the formation of actin filaments.

Химические ингибиторы

В исследованиях, направленных на изучение роли актина в биологии, широко используется ряд природных токсинов, нарушающих динамику актина. Латрункулин – токсин, производимый губками, – связывается с G-актином, препятствуя его включению в микрофиламенты. Цитохалазин D, производимый некоторыми грибами, действует как концевой фактор, связываясь с (+) концом филамента и предотвращая дальнейшее присоединение молекул актина. В отличие от этого, губчатый токсин яспакинолид стимулирует нуклеацию новых актиновых филаментов, связываясь и стабилизируя пары молекул актина. Фаллоидин, выделенный из гриба Amanita phalloides ("бледная поганка"), связывается с соседними молекулами актина в составе F-актинового филамента, стабилизируя его и предотвращая деполимеризацию. Фаллоидин часто метится флуоресцентными красителями для визуализации актиновых филаментов с помощью флуоресцентной микроскопии.