Цитоскелет представляет собой сложную динамическую сеть взаимосвязанных белковых нитей , присутствующих в цитоплазме всех клеток , включая клетки бактерий и архей . [2] У эукариот он простирается от ядра клетки до клеточной мембраны и состоит из сходных белков у разных организмов. Он состоит из трех основных компонентов: микрофиламентов , промежуточных нитей и микротрубочек , и все они способны к быстрому росту или разборке в зависимости от потребностей клетки. [3]
Цитоскелет может выполнять множество функций. Его основная функция — придать клетке форму и механическую устойчивость к деформации, а за счет ассоциации с внеклеточной соединительной тканью и другими клетками он стабилизирует целые ткани. [4] [5] Цитоскелет также может сокращаться, тем самым деформируя клетку и ее среду и позволяя клеткам мигрировать . [6] Более того, он участвует во многих клеточных сигнальных путях и в поглощении внеклеточного материала ( эндоцитоз ), [7] в сегрегации хромосом во время клеточного деления , [4] в стадии цитокинеза деления клеток, [8] в качестве каркаса для организации содержимого клетки в пространстве [6] и во внутриклеточном транспорте (например, перемещении везикул и органелл внутри клетки) [4] и может быть шаблоном для построения клеточной стенки . [4] Кроме того, он может образовывать специализированные структуры, такие как жгутики , реснички , ламеллиподии и подосомы . Структура, функции и динамическое поведение цитоскелета могут сильно различаться в зависимости от организма и типа клеток. [4] [9] [8] Даже внутри одной клетки цитоскелет может меняться за счет ассоциации с другими белками и предыдущей истории сети. [6]
Масштабным примером действия цитоскелета является сокращение мышц . Это осуществляется группами узкоспециализированных клеток, работающих вместе. Основным компонентом цитоскелета, который помогает показать истинную функцию мышечного сокращения, являются микрофиламенты . Микрофиламенты состоят из наиболее распространенного клеточного белка, известного как актин. [10] Во время сокращения мышцы внутри каждой мышечной клетки молекулярные моторы миозина коллективно воздействуют на параллельные актиновые нити. Сокращение мышц начинается с нервных импульсов, которые затем вызывают высвобождение повышенного количества кальция из саркоплазматической сети . Увеличение содержания кальция в цитозоле позволяет начать сокращение мышц с помощью двух белков, тропомиозина и тропонина . [10] Тропомиозин ингибирует взаимодействие между актином и миозином, в то время как тропонин ощущает увеличение кальция и снимает это торможение. [11] Это действие сокращает мышечную клетку, а благодаря синхронному процессу во многих мышечных клетках – всю мышцу.
В 1903 году Николай К. Кольцов предположил, что форма клеток определяется сетью канальцев, которую он назвал цитоскелетом. Концепция белковой мозаики, которая динамически координирует биохимию цитоплазмы, была предложена Рудольфом Петерсом в 1929 году [12], а термин ( по-французски цитоскелет ) был впервые введен французским эмбриологом Полем Винтребертом в 1931 году . [13]
Когда цитоскелет был впервые представлен, считалось, что это неинтересное гелеобразное вещество, которое помогает органеллам оставаться на месте. [14] Было проведено много исследований, чтобы попытаться понять назначение цитоскелета и его компонентов.
Первоначально считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в 1992 году было обнаружено, что он присутствует и у прокариот. Это открытие произошло после осознания того, что бактерии обладают белками, гомологичными тубулину и актину; Основные компоненты цитоскелета эукариот. [15]
Эукариотические клетки содержат три основных типа цитоскелетных филаментов: микрофиламенты , микротрубочки и промежуточные филаменты . В нейронах промежуточные нити известны как нейрофиламенты . [16] Каждый тип образуется в результате полимеризации отдельного типа белковой субъединицы и имеет свою характерную форму и внутриклеточное распределение. Микрофиламенты представляют собой полимеры белка актина и имеют диаметр 7 нм. Микротрубочки состоят из тубулина и имеют диаметр 25 нм. Промежуточные филаменты состоят из различных белков в зависимости от типа клетки, в которой они находятся; их диаметр обычно составляет 8-12 нм. [2] Цитоскелет обеспечивает клетке структуру и форму и, исключая макромолекулы из некоторой части цитозоля , увеличивает уровень скученности макромолекул в этом компартменте. [17] Элементы цитоскелета широко и тесно взаимодействуют с клеточными мембранами. [18]
Исследования нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона , болезнь Альцгеймера , болезнь Хантингтона и боковой амиотрофический склероз (БАС), показывают, что при этих заболеваниях поражается цитоскелет. [19] Болезнь Паркинсона характеризуется деградацией нейронов, что приводит к тремору, ригидности и другим немоторным симптомам. Исследования показали, что сборка и стабильность микротрубочек в цитоскелете нарушаются, что приводит к деградации нейронов с течением времени. [20] При болезни Альцгеймера тау-белки , которые стабилизируют микротрубочки, нарушаются при прогрессировании заболевания, вызывая патологию цитоскелета. [21] Избыток глютамина в белке Хантингтона, участвующем в связывании везикул с цитоскелетом, также считается фактором развития болезни Хантингтона. [22] Боковой амиотрофический склероз приводит к потере движения, вызванной деградацией мотонейронов, а также включает дефекты цитоскелета. [23]
Стюарт Хамерофф и Роджер Пенроуз предполагают роль вибраций микротрубочек в нейронах в возникновении сознания . [24] [25]
Вспомогательные белки, включая моторные белки, регулируют и связывают филаменты с другими клеточными соединениями и друг с другом и необходимы для контролируемой сборки филаментов цитоскелета в определенных местах. [26]
Обнаружен ряд низкомолекулярных цитоскелетных препаратов , взаимодействующих с актином и микротрубочками. Эти соединения оказались полезными при изучении цитоскелета, а некоторые из них нашли клиническое применение.
Микрофиламенты, также известные как актиновые нити, состоят из линейных полимеров белков G-актина и генерируют силу, когда растущий (плюсовой) конец нити прижимается к барьеру, например клеточной мембране. Они также действуют как треки для движения молекул миозина , которые прикрепляются к микрофиламентам и «ходят» вдоль них. Как правило, основным компонентом или белком микрофиламентов является актин. Мономер G-актина объединяется с образованием полимера, который продолжает формировать микрофиламент (актиновую нить). Эти субъединицы затем собираются в две цепи, которые переплетаются в так называемые цепи F-актина . [27] Движение миозина по нитям F-актина генерирует сократительные силы в так называемых актомиозиновых волокнах, как в мышцах, так и в большинстве типов немышечных клеток. [28] Структуры актина контролируются семейством Rho небольших GTP-связывающих белков, таких как сам Rho для сократительных актомиозиновых филаментов («стрессовых волокон»), Rac для ламеллиподий и Cdc42 для филоподий.
Функции включают в себя:
Промежуточные филаменты входят в состав цитоскелета многих эукариотических клеток. Эти нити, имеющие средний диаметр 10 нанометров, более стабильны (прочно связаны), чем микрофиламенты и гетерогенные составляющие цитоскелета. Подобно актиновым нитям, они поддерживают форму клеток, выдерживая напряжение ( микротрубочки , напротив, сопротивляются сжатию, но также могут выдерживать напряжение во время митоза и во время позиционирования центросомы). Промежуточные нити организуют внутреннюю трехмерную структуру клетки, закрепляют органеллы и служат структурными компонентами ядерной пластинки . Они также участвуют в некоторых межклеточных и межклеточных соединениях. Ядерная пластинка существует у всех животных и всех тканей. У некоторых животных, таких как плодовая мушка, нет промежуточных цитоплазматических нитей. У тех животных, которые экспрессируют цитоплазматические промежуточные филаменты, они тканеспецифичны. [5] Кератиновые промежуточные нити в эпителиальных клетках обеспечивают защиту от различных механических воздействий, которым может подвергаться кожа. Они также обеспечивают защиту органов от метаболических, окислительных и химических стрессов. Укрепление эпителиальных клеток этими промежуточными нитями может предотвратить начало апоптоза или гибель клеток за счет снижения вероятности стресса. [29]
Промежуточные филаменты чаще всего известны как система поддержки или «каркас» для клетки и ядра, а также играют роль в некоторых функциях клетки. В сочетании с белками и десмосомами промежуточные нити образуют межклеточные связи и закрепляют соединения клетка-матрикс, которые используются для передачи сообщений между клетками, а также для жизненно важных функций клетки. Эти соединения позволяют клетке взаимодействовать через десмосому с несколькими клетками, чтобы корректировать структуры ткани на основе сигналов из окружающей среды клетки. Было показано, что мутации в белках IF вызывают серьезные медицинские проблемы, такие как преждевременное старение, мутации десмина, поражающие органы, болезнь Александера и мышечную дистрофию . [5]
Различные промежуточные нити:
Микротрубочки представляют собой полые цилиндры диаметром около 23 нм (диаметр просвета около 15 нм), чаще всего состоящие из 13 протофиламентов , которые, в свою очередь, представляют собой полимеры альфа- и бета- тубулина . Они имеют очень динамичное поведение, связывая GTP для полимеризации. Они обычно организованы центросомой .
В девяти тройных наборах (звездчатых) они образуют центриоли , а в девяти дублетах, ориентированных вокруг двух дополнительных микротрубочек (колесообразных), они образуют реснички и жгутики. Последнее образование обычно называют структурой «9+2», в которой каждый дублет соединен с другим белком динеином . Поскольку и жгутики, и реснички являются структурными компонентами клетки и поддерживаются микротрубочками, их можно считать частью цитоскелета. Существует два типа ресничек: подвижные и неподвижные. Реснички короткие и более многочисленные, чем жгутики. Подвижные реснички совершают ритмичные волнистые или пульсирующие движения по сравнению с неподвижными ресничками, которые получают сенсорную информацию для клетки; обработка сигналов от других клеток или окружающих их жидкостей. Кроме того, микротрубочки контролируют биение (движение) ресничек и жгутиков. [31] Кроме того, динеиновые плечи, прикрепленные к микротрубочкам, действуют как молекулярные моторы. Движение ресничек и жгутиков создается за счет скольжения микротрубочек друг мимо друга, для чего требуется АТФ. [31] Они играют ключевую роль в:
В дополнение к описанным выше ролям Стюарт Хамерофф и Роджер Пенроуз предположили, что микротрубочки функционируют в сознании. [32]
Септины представляют собой группу высококонсервативных GTP- связывающих белков, обнаруженных у эукариот . Различные септины образуют друг с другом белковые комплексы . Они могут собираться в нити и кольца. Следовательно, септины можно рассматривать как часть цитоскелета. [36] Функция септинов в клетках включает в себя роль локализованного места прикрепления других белков и предотвращение диффузии определенных молекул из одного клеточного отсека в другой. [36] В дрожжевых клетках они строят каркас, обеспечивающий структурную поддержку во время клеточного деления и компартментализации частей клетки. Недавние исследования клеток человека показывают, что септины создают клетки вокруг бактериальных патогенов, обездвиживая вредные микробы и предотвращая их проникновение в другие клетки. [37]
Спектрин представляет собой белок цитоскелета , который выстилает внутриклеточную сторону плазматической мембраны эукариотических клеток. Спектрин образует пятиугольные или гексагональные структуры, образуя каркас и играя важную роль в поддержании целостности плазматической мембраны и структуры цитоскелета. [38]
У почкующихся дрожжей (важного модельного организма ) актин образует кортикальные участки, актиновые кабели, а также цитокинетическое кольцо и колпачок. Кортикальные участки представляют собой отдельные актиновые тельца на мембране и жизненно важны для эндоцитоза , особенно для рециркуляции глюкансинтазы, которая важна для синтеза клеточной стенки . Актиновые кабели представляют собой пучки актиновых нитей и участвуют в транспортировке везикул к капсуле (которая содержит ряд различных белков, поляризующих клеточный рост), а также в расположении митохондрий. Цитокинетическое кольцо формируется и сужается вокруг места деления клеток . [39]
До работы Jones et al., 2001 считалось, что клеточная стенка является решающим фактором для многих форм бактериальных клеток, включая палочки и спирали. При изучении было обнаружено, что многие деформированные бактерии имеют мутации, связанные с развитием клеточной оболочки . [40] Когда-то считалось, что цитоскелет характерен только для эукариотических клеток, но у прокариот были обнаружены гомологи всех основных белков эукариотического цитоскелета . [41] Гарольд Эриксон отмечает, что до 1992 года считалось, что только эукариоты имеют компоненты цитоскелета. Однако исследования начала 90-х годов показали, что бактерии и археи имеют гомологи актина и тубулина и что они лежат в основе эукариотических микротрубочек и микрофиламентов. [42] Хотя эволюционные отношения настолько далеки, что они не очевидны только из сравнения последовательностей белков, сходство их трехмерных структур и схожие функции в поддержании формы и полярности клеток дают убедительные доказательства того, что эукариотические и прокариотические цитоскелеты действительно гомологичны. . [43] Три лаборатории независимо друг от друга обнаружили, что FtsZ, белок, уже известный как ключевой игрок в бактериальном цитокинезе, имеет «последовательность сигнатуры тубулина», присутствующую во всех α-, β- и γ-тубулинах. [42] Однако некоторые структуры бактериального цитоскелета, возможно, еще не идентифицированы. [28] [44]
FtsZ был первым идентифицированным белком цитоскелета прокариот. Подобно тубулину, FtsZ образует нити в присутствии гуанозинтрифосфата (GTP), но эти нити не группируются в канальцы. Во время деления клеток FtsZ является первым белком, который перемещается к месту деления, и необходим для привлечения других белков, которые синтезируют новую клеточную стенку между делящимися клетками.
Прокариотические актиноподобные белки, такие как MreB , участвуют в поддержании формы клеток. Все несферические бактерии имеют гены , кодирующие актиноподобные белки, и эти белки образуют спиральную сеть под клеточной мембраной, которая направляет белки, участвующие в биосинтезе клеточной стенки . [45]
Некоторые плазмиды кодируют отдельную систему, включающую актиноподобный белок ParM . Филаменты ParM проявляют динамическую нестабильность и могут разделять плазмидную ДНК на делящиеся дочерние клетки по механизму, аналогичному тому, который используется микротрубочками во время митоза эукариот . [28] [46]
Бактерия Caulobacter crescentus содержит третий белок — кресцентин , родственный промежуточным нитям эукариотических клеток. Кресцентин также участвует в поддержании формы клеток, таких как спиральные и вибриоидные формы бактерий, но механизм, с помощью которого он это делает, в настоящее время неясен. [47] Кроме того, искривление можно описать смещением серповидных нитей после нарушения синтеза пептидогликана. [48]
Цитоскелет представляет собой высокоанизотропную и динамическую сеть, постоянно ремоделирующуюся в ответ на изменение клеточного микроокружения. Сеть влияет на механику и динамику клетки путем дифференциальной полимеризации и деполимеризации составляющих ее филаментов (в первую очередь актина и миозина, но также играют роль микротрубочки и промежуточные филаменты). [49] Это генерирует силы, которые играют важную роль в информировании клетки о ее микроокружении. В частности, было показано, что такие силы, как напряжение, жесткость и сдвиговые силы, влияют на судьбу клеток, дифференцировку, миграцию и подвижность. [49] Посредством процесса, называемого «механотрансдукцией», клетка реконструирует свой цитоскелет, чтобы чувствовать эти силы и реагировать на них.
Механотрансдукция в значительной степени зависит от фокальных спаек , которые по существу соединяют внутриклеточный цитоскелет с внеклеточным матриксом (ECM). Посредством фокальных спаек клетка способна интегрировать внеклеточные силы во внутриклеточные, поскольку белки, присутствующие в фокальных спайках, претерпевают конформационные изменения, чтобы инициировать сигнальные каскады. Было показано, что такие белки, как киназа фокальной адгезии (FAK) и Src, передают силовые сигналы в ответ на клеточную активность, такую как пролиферация и дифференцировка, и предположительно являются ключевыми сенсорами на пути механотрансдукции. [50] В результате механотрансдукции цитоскелет меняет свой состав и/или ориентацию, чтобы приспособиться к силовому стимулу и обеспечить соответствующую реакцию клетки.
Цитоскелет меняет механику клетки в ответ на обнаруженные силы. Например, увеличение напряжения внутри плазматической мембраны повышает вероятность открытия ионных каналов, что увеличивает ионную проводимость и значительно повышает вероятность клеточных изменений притока или оттока ионов. [50] Более того, механические свойства клеток определяют, насколько далеко и в каком направлении сила будет распространяться по клетке и как она будет изменять динамику клетки. [51] Например, мембранный белок, который не связан тесно с цитоскелетом, не будет оказывать существенного влияния на корковую актиновую сеть, если на него будет воздействовать специально направленная сила. Однако мембранные белки, более тесно связанные с цитоскелетом, будут вызывать более значительный ответ. [50] Таким образом, анизотропия цитоскелета служит для более четкого направления клеточных ответов на внутри- или внеклеточные сигналы.
Конкретные пути и механизмы, с помощью которых цитоскелет воспринимает силы и реагирует на них, все еще изучаются. Однако известно, что дальний порядок , генерируемый цитоскелетом, способствует механотрансдукции. [52] Клетки диаметром около 10–50 мкм в несколько тысяч раз больше молекул, находящихся в цитоплазме, которые необходимы для координации клеточной деятельности. Поскольку клетки настолько велики по сравнению с основными биомолекулами, из-за отсутствия организующей сети различным частям цитоплазмы трудно взаимодействовать. [53] Более того, биомолекулы должны полимеризоваться до длины, сравнимой с длиной клетки, но полученные полимеры могут быть сильно дезорганизованы и неспособны эффективно передавать сигналы из одной части цитоплазмы в другую. Таким образом, необходимо иметь цитоскелет для организации полимеров и обеспечения их эффективной связи по всей клетке.
По определению, цитоскелет состоит из белков, которые могут образовывать продольные массивы (волокна) у всех организмов. Эти белки, образующие нити, были разделены на 4 класса. Тубулиноподобные , актиноподобные , цитоскелетные АТФазы Уолкера А (WACA-белки) и промежуточные филаменты . [8] [28]
Тубулиноподобные белки — это тубулин у эукариот и FtsZ , TubZ, RepX у прокариот. Актиноподобными белками являются актин у эукариот и MreB , FtsA у прокариот. Примером WACA-белков, которые в основном встречаются у прокариот, является MinD . Примерами промежуточных филаментов, которые встречаются почти исключительно у животных (т.е. у эукариот), являются ламины , кератины , виментин , нейрофиламенты и десмин . [8]
Хотя тубулиноподобные белки имеют некоторое сходство аминокислотных последовательностей , их эквивалентность в структуре белка и сходство в сайте связывания GTP более поразительны. То же самое справедливо и для актиноподобных белков, их структуры и АТФ- связывающего домена. [8] [28]
Цитоскелетные белки обычно коррелируют с формой клеток, сегрегацией ДНК и делением клеток у прокариот и эукариот. Какие белки выполняют какую задачу, очень разные. Например, сегрегация ДНК у всех эукариот происходит за счет использования тубулина, но у прокариот могут использоваться либо белки WACA, либо актиноподобные, либо тубулиноподобные белки. Деление клеток у эукариот опосредовано актином, но у прокариотов обычно тубулиноподобными (часто FtsZ-кольцо) белками и иногда ( термопротеотами ) ESCRT-III , который у эукариот все еще играет роль на последней стадии деления. [8]
Цитоплазматический поток , также известный как циклоз, представляет собой активное движение содержимого клетки по компонентам цитоскелета. Хотя этот процесс в основном наблюдается у растений, все типы клеток используют этот процесс для транспортировки отходов, питательных веществ и органелл в другие части клетки. [54] Клетки растений и водорослей обычно крупнее многих других клеток; поэтому поток цитоплазмы важен для этих типов клеток. Это связано с тем, что дополнительный объем клетки требует потока цитоплазмы для перемещения органелл по всей клетке. [55] Органеллы движутся вдоль микрофиламентов в цитоскелете под действием миозиновых моторов, связывающих и толкающих пучки актиновых филаментов. [54]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )