Катанин — это белок AAA , разрезающий микротрубочки . Он назван в честь японского меча, называемого катаной . Катанин — это гетеродимерный белок, впервые обнаруженный у морских ежей . Он содержит субъединицу АТФазы 60 кДа , кодируемую KATNA1 , которая функционирует для разрезания микротрубочек. Для активации этой субъединицы требуется АТФ и присутствие микротрубочек. Вторая субъединица 80 кДа, кодируемая KATNB1 , регулирует активность АТФазы и локализует белок в центросомах . [1] Электронная микроскопия показывает, что катанин в своем активном олигомеризованном состоянии образует кольца размером 14–16 нм на стенках микротрубочек (хотя и не вокруг микротрубочек).
Структурный анализ с использованием электронной микроскопии показал, что протофиламенты микротрубочек изменяют свою прямую конформацию на изогнутую при гидролизе ГТФ β- тубулина . Однако, когда эти протофиламенты являются частью полимеризованной микротрубочки, стабилизирующие взаимодействия, создаваемые окружающей решеткой, блокируют субъединицы в прямой конформации даже после гидролиза ГТФ . [2] Чтобы нарушить эти стабильные взаимодействия, катанин, будучи связанным с АТФ, олигомеризуется в кольцевую структуру на стенке микротрубочки - в некоторых случаях олигомеризация увеличивает сродство катанина к микротрубочкам и стимулирует его АТФазную активность. После формирования этой структуры катанин гидролизует АТФ и, вероятно, претерпевает конформационное изменение, которое создает механическую нагрузку на субъединицы тубулина, что дестабилизирует их взаимодействия внутри решетки микротрубочек. Предсказанные конформационные изменения, вероятно, также снижают сродство катанина к тубулину, а также к другим белкам катанина, что приводит к разборке кольцевой структуры катанина и рециркуляции отдельных инактивированных белков. [3]
Разрыв микротрубочек катанином регулируется защитными белками, ассоциированными с микротрубочками (MAP), и субъединицей p80 (p60 намного лучше разрывает микротрубочки в присутствии p80). Эти механизмы имеют разные последствия в зависимости от того, где в клетке они активируются или разрушаются. Например, разрешение разрыва, опосредованного катанином, в центросоме высвобождает микротрубочки для свободного перемещения. В одном эксперименте антитела к катанину были введены в клетку, что привело к большому накоплению микротрубочек вокруг центросомы и ингибированию роста микротрубочек. [4] Следовательно, разрыв, опосредованный катанином, может служить для поддержания организации в цитоплазме , способствуя разборке микротрубочек и эффективному перемещению. Во время деления клетки разрыв на полюсе веретена приводит к образованию свободных концов микротрубочек и обеспечивает поток тубулина к полюсу и ретракцию микротрубочек. Разрыв микротрубочек в цитоплазме облегчает бег и подвижность, что важно в процессе развития.
Катанин-опосредованное разделение микротрубочек является важным этапом митоза и мейоза . Было показано, что катанин отвечает за разделение микротрубочек во время М-фазы у Xenopus laevis . [5] Разборка микротрубочек из их интерфазных структур необходима для подготовки клетки и митотического веретена к клеточному делению. Эта регуляция является косвенной: белки MAP, которые защищают микротрубочки от разрыва во время интерфазы, диссоциируют и позволяют катанину действовать. [6] Кроме того, катанин отвечает за разделение микротрубочек на митотических веретенах, когда разборка требуется для разделения сестринских хроматид во время анафазы . [5] Аналогичные результаты были получены в отношении активности катанина во время мейоза у C. elegans . [7] Сообщалось, что Mei-1 и Mei-2 кодируют белки, похожие на субъединицы p60 и p80 катанина. С помощью антител было обнаружено, что эти два белка локализуются на концах микротрубочек в мейотическом веретене, и при экспрессии в клетках HeLa эти белки инициируют разрыв микротрубочек. Эти результаты указывают на то, что катанин выполняет схожую функцию как в митозе, так и в мейозе, разделяя хроматиды к полюсам веретена.
Катанин важен для развития многих организмов. Как устранение, так и избыточная экспрессия катанина вредны для роста аксонов , и, таким образом, катанин должен тщательно регулироваться для правильного развития нейронов. [8] В частности, разделение микротрубочек в определенных клеточных пространствах позволяет фрагментам тестировать различные пути роста. Катанин оказался необходимым для этой задачи. Эксперимент с использованием покадровой цифровой съемки флуоресцентно меченого тубулина продемонстрировал, что конусы роста аксонов приостанавливаются, а микротрубочки фрагментируются в местах разветвления во время развития нейронов. [9]
Похожий эксперимент с использованием флуоресцентно меченого тубулина наблюдал локальную фрагментацию микротрубочек в ламеллиподиях клеток легких тритона во время миграции развития, при которой фрагменты движутся перпендикулярно продвигающейся клеточной мембране, помогая исследованию. [10] Локальный характер обоих событий фрагментации, вероятно, указывает на регуляцию катанином, поскольку он может концентрироваться в определенных клеточных регионах. Это подтверждается исследованием, которое продемонстрировало, что мутация Fra2, которая влияет на ортолог катанина в Arabidopsis thaliana , приводит к аномальному расположению микрофибрилл целлюлозы вдоль развивающейся клеточной стенки у этих растений. [11] Эта мутация привела к фенотипу с уменьшенным удлинением клеток, что предполагает значимость катанина в развитии среди широкого спектра организмов.
Известно, что катанин в изобилии присутствует в нервной системе , и даже умеренные его уровни могут вызвать значительное истощение микротрубочек. Но микротрубочки должны быть разорваны в других отделах нейрона, чтобы достаточное количество микротрубочек могло подвергнуться быстрому транспорту.
В нервной системе соотношение двух субъединиц резко отличается от других органов тела. Поэтому важно иметь возможность регулировать соотношение, чтобы контролировать разрыв микротрубочек. Мономер p80 обнаружен во всех отсеках нейрона, что означает, что его функция не может быть направлена исключительно на катанин. Катанин p80 имеет несколько доменов с различными функциями. Один домен нацелен на центросому, другой усиливает разрыв микротрубочек катанином p60, а последний подавляет разрыв микротрубочек. [12] Обилие катанина в нейронах показывает, что они могут двигаться вдоль аксона. В точках разветвления аксонов и в конусах роста нейронов происходит разрыв микротрубочек. Распределение катанина в нейроне помогает понять явление регулирования длины и количества микротрубочек, а также высвобождения микротрубочек из центросомы.
Считается, что катанин регулируется фосфорилированием других белков. Изгиб улучшает доступ катанина к решетке, облегчая разрыв. [6]
Катанин также обнаруживает схожие функции в высших растениях. Форма и структура растительной клетки определяются жесткой клеточной стенкой , которая содержит высокоорганизованную целлюлозу, ориентация которой зависит от микротрубочек, которые служат для направления отложения формирующихся волокон. Ориентация микрофибрилл целлюлозы внутри клеточной стенки определяется микротрубочками, которые выровнены перпендикулярно главной оси расширения клетки. [13] Поскольку в растительных клетках отсутствуют традиционные центросомы, катанин накапливается в ядерной оболочке во время препрофазы и профазы , где формируются микротрубочки веретена.
Во время удлинения клетки микротрубочки должны постоянно корректировать свою ориентацию, чтобы соответствовать увеличивающейся длине клетки. Было предложено, что это постоянное изменение в организации микротрубочек осуществляется путем быстрой разборки, сборки и перемещения микротрубочек. [14] Недавно было показано, что мутации в гомологе растительного катанина изменяют переходы в организации микротрубочек, что, в свою очередь, вызывает нарушения в правильном отложении целлюлозы и гемицеллюлозы . Предполагается, что это вызвано отсутствием способности растительной клетки регулировать длину микротрубочек.
Для регуляторной субъединицы катанин p80 не существует гомолога. Поэтому для описания ее функций в растениях был создан At-p60 с His-тегом. His-At-p60 может разрывать микротрубочки in vitro в присутствии АТФ. Он напрямую взаимодействует с микротрубочками в анализах коседиментации. Активность АТФазы стимулировалась негиперболическим образом. [15] Гидролиз АТФ стимулируется при низком соотношении тубулин/At-p60 и ингибируется при более высоких соотношениях. Низкие соотношения благоприятствуют взаимодействиям субъединиц катанин, тогда как высокие соотношения показывают ухудшение. At-p60 может олигомеризоваться, как и у животных. At-p60 напрямую взаимодействует с микротрубочками, тогда как животный p60 связывается через их N-концы . N-концевая часть p60 не очень хорошо сохраняется между растительным и животным царствами. [16]