У эукариот имеется шесть членов суперсемейства тубулинов, хотя не все они присутствуют у всех видов. [2] [3] И α-, и β-тубулины имеют массу около 50 кДа и, таким образом, находятся в аналогичном диапазоне по сравнению с актином (с массой ~ 42 кДа). Напротив, полимеры тубулина (микротрубочки), как правило, намного больше актиновых нитей из-за их цилиндрической природы.
Долгое время считалось, что тубулин свойственен только эукариотам. Однако совсем недавно было показано, что несколько прокариотических белков связаны с тубулином. [4] [5] [6] [7]
Характеристика
Тубулин характеризуется эволюционно консервативным семейством тубулинов/FtsZ, белковым доменом ГТФазы .
α- и β-тубулины полимеризуются в динамические микротрубочки. У эукариот микротрубочки являются одним из основных компонентов цитоскелета и участвуют во многих процессах, включая структурную поддержку, внутриклеточный транспорт и сегрегацию ДНК .
Для формирования микротрубочек димеры α- и β-тубулина связываются с GTP и собираются на (+)-концах микротрубочек, находясь в GTP-связанном состоянии. [15] Субъединица β-тубулина экспонируется на плюс-конце микротрубочки, а субъединица α-тубулина — на минус-конце. После того, как димер включен в микротрубочку, молекула GTP, связанная с субъединицей β-тубулина, в конечном итоге гидролизуется до GDP через междимерные контакты вдоль протофиламента микротрубочки . [16] Молекула GTP, связанная с субъединицей α-тубулина, не гидролизуется в течение всего процесса. Связан ли β-тубулиновый член димера тубулина с GTP или GDP, влияет на стабильность димера в микротрубочках. Димеры, связанные с GTP, имеют тенденцию собираться в микротрубочки, тогда как димеры, связанные с GDP, имеют тенденцию распадаться; таким образом, этот цикл GTP важен для динамической нестабильности микротрубочек.
Бактериальные микротрубочки
Гомологи α- и β-тубулина идентифицированы у бактерий рода Prosthecobacter . [5] Они обозначены BtubA и BtubB, чтобы идентифицировать их как бактериальные тубулины. Оба обладают гомологией как с α-, так и с β-тубулином. [17] Хотя структурно они очень похожи на эукариотические тубулины, они обладают несколькими уникальными особенностями, включая сворачивание без шаперонов и слабую димеризацию. [18] Криогенная электронная микроскопия показала, что BtubA/B образует микротрубочки in vivo , и предположила, что эти микротрубочки содержат только пять протофиламентов, в отличие от эукариотических микротрубочек, которые обычно содержат 13. [12] Последующие исследования in vitro показали, что BtubA/B образует четырехцепочечные «мини-микротрубочки». [19]
сегрегация ДНК
Деление клеток
Прокариотический отдел
FtsZ обнаружен почти у всех бактерий и архей , где он участвует в делении клеток , локализуясь в кольце в середине делящейся клетки и вовлекая в работу другие компоненты дивисомы, группы белков, которые вместе сужают клеточную оболочку, отщипывая ее. ячейку, давая две дочерние клетки. FtsZ может полимеризоваться в трубки, листы и кольца in vitro и образовывать динамические нити in vivo .
Функция TubZ заключается в разделении плазмид с низким числом копий во время деления бактериальных клеток. Белок образует структуру, необычную для гомолога тубулина; две спиральные нити обвивают друг друга. [20] Это может отражать оптимальную структуру для этой роли, поскольку несвязанный плазмидный белок ParM демонстрирует аналогичную структуру. [21]
Форма ячейки
CetZ участвует в изменении формы клеток у плеоморфных Haloarchaea . У Haloferax volcanii CetZ образует динамические структуры цитоскелета, необходимые для дифференцировки из пластинчатой формы клеток в палочковидную форму, проявляющую плавательную подвижность. [9]
Типы
Эукариотический
Суперсемейство тубулинов включает шесть семейств (альфа-(α), бета-(β), гамма-(γ), дельта-(δ), эпсилон-(ε) и зета-(ζ) тубулины). [22]
Все лекарства, которые, как известно, связываются с тубулином человека, связываются с β-тубулином. [23] К ним относятся паклитаксел , колхицин и алкалоиды барвинка , каждый из которых имеет отдельный участок связывания на β-тубулине. [23]
Кроме того, некоторые противогельминтные препараты преимущественно нацелены на колхициновый участок β-тубулина у червей, а не у высших эукариот. Хотя мебендазол все еще сохраняет некоторую аффинность связывания с β-тубулином человека и дрозофилы , [24] альбендазол почти исключительно связывается с β-тубулином червей и других низших эукариот. [25] [26]
β-тубулин класса III представляет собой элемент микротрубочек, экспрессируемый исключительно в нейронах [ 27] и является популярным идентификатором, специфичным для нейронов в нервной ткани. Он связывает колхицин гораздо медленнее, чем другие изотипы β-тубулина. [28]
β1-тубулин , иногда называемый β-тубулином класса VI, [29] наиболее отличается на уровне аминокислотной последовательности. [30] Он экспрессируется исключительно в мегакариоцитах и тромбоцитах у людей и, по-видимому, играет важную роль в формировании тромбоцитов. [30] Когда β-тубулин класса VI экспрессируется в клетках млекопитающих, он вызывает разрушение сети микротрубочек, образование фрагментов микротрубочек и в конечном итоге может вызывать структуры, подобные маргинальным полосам, присутствующие в мегакариоцитах и тромбоцитах. [31]
Катанин представляет собой белковый комплекс, который разрывает микротрубочки по субъединицам β-тубулина и необходим для быстрого транспорта микротрубочек в нейронах и у высших растений. [32]
γ-Тубулин, еще один член семейства тубулинов, играет важную роль в зарождении и полярной ориентации микротрубочек. Он обнаруживается преимущественно в центросомах и телах полюсов веретена , поскольку это области наиболее обильного зарождения микротрубочек. В этих органеллах несколько молекул γ-тубулина и других белков находятся в комплексах, известных как кольцевые комплексы γ-тубулина (γ-TuRC), которые химически имитируют (+) конец микротрубочки и, таким образом, позволяют микротрубочкам связываться. γ-тубулин также был выделен в виде димера и как часть небольшого комплекса γ-тубулина (γTuSC), промежуточного по размеру между димером и γTuRC. γ-тубулин является наиболее изученным механизмом зарождения микротрубочек, но некоторые исследования показали, что определенные клетки могут быть способны адаптироваться к его отсутствию, о чем свидетельствуют исследования мутаций и РНКи , которые ингибируют его правильную экспрессию. Помимо образования γ-TuRC для зарождения и организации микротрубочек, γ-тубулин может полимеризоваться в нити, которые собираются в пучки и сети. [33]
Было обнаружено, что дельта (δ) и эпсилон (ε) тубулин локализуются в центриолях и могут играть роль в структуре и функции центриолей, хотя ни один из них не изучен так хорошо, как α- и β-формы.
Гены δ- и ε-тубулина человека включают: [ нужна ссылка ]
Дзета-тубулин ( IPR004058 ) присутствует у многих эукариот, но отсутствует у других, включая плацентарных млекопитающих. Было показано, что это связано со структурой центриолей базальной ножки в многореснитчатых эпителиальных клетках. [3]
Прокариотический
БтубА/Б
BtubA ( Q8GCC5 ) и BtubB ( Q8GCC1 ) обнаружены у некоторых видов бактерий рода Verrucomicrobiota Prosthecobacter . [5] Их эволюционное родство с эукариотическими тубулинами неясно, хотя они, возможно, произошли от эукариотической линии путем латерального переноса генов . [18] [17] По сравнению с другими бактериальными гомологами они гораздо больше похожи на эукариотические тубулины. В собранной структуре BtubB действует как α-тубулин, а BtubA действует как β-тубулин. [34]
TubZ ( Q8KNP3 ; pBt156) был идентифицирован у Bacillus thuringiensis как необходимый для поддержания плазмиды . [7] Он связывается с ДНК-связывающим белком под названием TubR ( Q8KNP2 ; pBt157), перетягивая плазмиду. [36]
Фаги рода Phikzlikevirus , а также фаг Serratia PCH45 используют белок оболочки ( Q8SDA8 ) для построения ядроподобной структуры, называемой фаговым ядром. Эта структура включает в себя ДНК, а также механизмы репликации и транскрипции. Он защищает ДНК фага от защитных сил хозяина, таких как ферменты рестрикции и системы CRISPR -Cas типа I. Тубулин , образующий веретено , называемый по-разному PhuZ ( B3FK34 ) и gp187 , центрирует ядро в клетке. [37] [38]
Тубулин одинархеоты
Тубулин архей Асгарда из гидротермальных обитателей Odinarchaeota (OdinTubulin) был идентифицирован как настоящий тубулин. OdinTubulin образует протомеры и протофиламенты, наиболее похожие на эукариотические микротрубочки, но собирается в кольцевые системы, более похожие на FtsZ , что указывает на то, что OdinTubulin может представлять собой промежуточное звено в эволюции между FtsZ и тубулинами, образующими микротрубочки. [39]
Фармакология
Тубулины являются мишенью для противораковых препаратов [40] [41] [42], таких как винбластин и винкристин , [43] [44] и паклитаксел . [45] Противогельминтные препараты мебендазол и альбендазол , а также средство против подагры колхицин связываются с тубулином и ингибируют образование микротрубочек. В то время как первое в конечном итоге приводит к гибели клеток червей, второе останавливает подвижность нейтрофилов и уменьшает воспаление у людей. Противогрибковый препарат гризеофульвин воздействует на образование микротрубочек и применяется при лечении рака.
В настоящее время проводится множество научных исследований ацетилирования, осуществляемого в некоторых микротрубочках, особенно ацетилирования с помощью α-тубулина N-ацетилтрансферазы (АТАТ1) , которая, как было показано, играет важную роль во многих биологических и молекулярных функциях и, следовательно, также связана с ацетилированием. при многих заболеваниях человека, особенно неврологических заболеваниях .
↑ Ганнинг П.В., Гошдастидер Ю., Уитакер С., Попп Д., Робинсон Р.К. (июнь 2015 г.). «Эволюция композиционно и функционально различных актиновых нитей». Журнал клеточной науки . 128 (11): 2009–19. дои : 10.1242/jcs.165563 . ПМИД 25788699.
^ Финдейзен П., Мюльхаузен С., Демпевольф С., Герцог Дж., Зитлоу А., Карломаньо Т., Коллмар М. «Шесть подгрупп и обширные недавние дупликации характеризуют эволюцию семейства белков эукариотического тубулина» Genome Biol Evol (2014) 6 : 2274-2288.
^ ab Turk E, Wills AA, Kwon T, Sedzinski J, Wallingford JB, Stearns T «Зета-тубулин является членом консервативного модуля тубулина и является компонентом центриолярной базальной ножки в многоресничных клетках» Current Biology (2015) 25 : 2177-2183.
^ аб Ногалес Э., Даунинг К.Х., Амос Л.А., Лёве Дж. (июнь 1998 г.). «Тубулин и FtsZ образуют отдельное семейство GTPases». Структурная биология природы . 5 (6): 451–8. дои : 10.1038/nsb0698-451. PMID 9628483. S2CID 5945125.
^ abc Дженкинс С., Самудрала Р., Андерсон И., Хедлунд Б.П., Петрони Г., Михайлова Н. и др. (декабрь 2002 г.). «Гены цитоскелетного белка тубулина у бактерий рода Prosthecobacter». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (26): 17049–54. Бибкод : 2002PNAS...9917049J. дои : 10.1073/pnas.012516899 . ПМК 139267 . ПМИД 12486237.
^ Ютин Н, Кунин Е.В. (март 2012 г.). «Археальное происхождение тубулина». Биология Директ . 7:10 . дои : 10.1186/1745-6150-7-10 . ПМЦ 3349469 . ПМИД 22458654.
^ abc Ларсен Р.А., Кусумано С., Фудзиока А., Лим-Фонг Г., Паттерсон П., Польяно Дж. (июнь 2007 г.). «Беговая дорожка прокариотического тубулиноподобного белка TubZ, необходимого для стабильности плазмиды в Bacillus thuringiensis». Гены и развитие . 21 (11): 1340–52. дои : 10.1101/gad.1546107. ПМЦ 1877747 . ПМИД 17510284.
^ Ногалес Э., Вольф С.Г., Даунинг К.Х. (январь 1998 г.). «Структура димера альфа-бета-тубулина методом электронной кристаллографии». Природа . 391 (6663): 199–203. Бибкод : 1998Natur.391..199N. дои : 10.1038/34465. PMID 9428769. S2CID 4412367.
^ abc Даггин И.Г., Эйлетт CH, Уолш Дж.К., Мичи К.А., Ван К., Тернбулл Л. и др. (март 2015 г.). «Тубулиноподобные белки CetZ контролируют форму клеток архей». Природа . 519 (7543): 362–5. Бибкод : 2015Natur.519..362D. дои : 10.1038/nature13983. ПМК 4369195 . ПМИД 25533961.
^ Лёве Дж., Амос Л.А. (январь 1998 г.). «Кристаллическая структура белка деления бактериальных клеток FtsZ». Природа . 391 (6663): 203–6. Бибкод : 1998Natur.391..203L. дои : 10.1038/34472. PMID 9428770. S2CID 4330857.
^ «Цифровые загрузки». PurSolutions . Проверено 19 февраля 2020 г.
^ ab Pilhofer M, Ladinsky MS, McDowall AW, Petroni G, Jensen GJ (декабрь 2011 г.). «Микротрубочки у бактерий: древние тубулины образуют пятипротофиламентный гомолог эукариотического цитоскелета». ПЛОС Биология . 9 (12): e1001213. дои : 10.1371/journal.pbio.1001213 . ПМЦ 3232192 . ПМИД 22162949.
^ Уильямс Р.К., Шах С., Сакетт Д. (ноябрь 1999 г.). «Разделение изоформ тубулина путем изоэлектрического фокусирования в иммобилизованных гелях с градиентом pH». Аналитическая биохимия . 275 (2): 265–7. дои : 10.1006/abio.1999.4326. ПМИД 10552916.
^ «Тубулин в белковых последовательностях». ЭМБЛ-ЭБИ .
^ Хилд Р., Ногалес Э. (январь 2002 г.). «Динамика микротрубочек». Журнал клеточной науки . 115 (Часть 1): 3–4. дои : 10.1242/jcs.115.1.3 . ПМИД 11801717.
^ ab Мартин-Галиано А.Дж., Олива М.А., Санс Л., Бхаттачария А., Серна М., Йебенес Х. и др. (июнь 2011 г.). «Отличные последовательности петель бактериального тубулина и примитивные свойства сборки подтверждают его происхождение от эукариотического предка тубулина». Журнал биологической химии . 286 (22): 19789–803. дои : 10.1074/jbc.M111.230094 . ПМК 3103357 . ПМИД 21467045.
^ ab Шлипер Д., Олива М.А., Андреу Дж.М., Лёве Дж. (июнь 2005 г.). «Структура бактериального тубулина BtubA/B: свидетельства горизонтального переноса генов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (26): 9170–5. Бибкод : 2005PNAS..102.9170S. дои : 10.1073/pnas.0502859102 . ПМЦ 1166614 . ПМИД 15967998.
^ Денг X, Финк Г., Бхарат Т.А., Хе С., Курейсайте-Чизиене Д., Лёве Дж. (июль 2017 г.). «Prosthecobacter BtubAB демонстрирует динамическую нестабильность». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (29): E5950–E5958. дои : 10.1073/pnas.1705062114 . ПМК 5530688 . ПМИД 28673988.
^ Эйлетт Ч., Ван К., Мичи К.А., Амос Л.А., Лёве Дж. (ноябрь 2010 г.). «Филаментная структура гомолога бактериального тубулина TubZ». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (46): 19766–71. Бибкод : 2010PNAS..10719766A. дои : 10.1073/pnas.1010176107 . ПМЦ 2993389 . ПМИД 20974911.
^ Аб Чжоу Дж., Джаннакакоу П. (январь 2005 г.). «Нацеливание на микротрубочки для химиотерапии рака». Современная медицинская химия. Противораковые агенты . 5 (1): 65–71. дои : 10.2174/1568011053352569. ПМИД 15720262.
^ «Мебендазол». Наркотики.com . Американское общество фармацевтов системы здравоохранения. Архивировано из оригинала 11 декабря 2019 года . Проверено 18 августа 2015 г.
^ «Альбендазол». Наркотики.com . Американское общество фармацевтов системы здравоохранения. Архивировано из оригинала 23 сентября 2015 года . Проверено 18 августа 2015 г.
^ Сербус Л.Р., Ландманн Ф., Брей В.М., Уайт П.М., Руйбал Дж., Локи Р.С. и др. (сентябрь 2012 г.). «Клеточный скрининг показывает, что метаболит альбендазола, альбендазолсульфон, нацелен на Wolbachia». ПЛОС Патогены . 8 (9): e1002922. дои : 10.1371/journal.ppat.1002922 . ПМЦ 3447747 . ПМИД 23028321.
^ Карки Р., Мариани М., Андреоли М., Хе С., Скамбия Г., Шахаби С., Ферлини С. (апрель 2013 г.). «βIII-тубулин: биомаркер устойчивости к таксанам или мишень для лекарств?». Мнение экспертов о терапевтических целях . 17 (4): 461–72. дои : 10.1517/14728222.2013.766170. PMID 23379899. S2CID 26229777.
^ Лудуэнья РФ (май 1993 г.). «Являются ли изотипы тубулина функционально значимыми». Молекулярная биология клетки . 4 (5): 445–57. дои : 10.1091/mbc.4.5.445. ПМК 300949 . ПМИД 8334301.
^ «Тубулин TUBB1, бета 1 класс VI [Homo sapiens (человек)]» . Джин — NCBI .
^ ab Lecine P, et al. (август 2000 г.). «Гематопоэтически-специфичный бета-1-тубулин участвует в пути биогенеза тромбоцитов, зависящем от транскрипционного фактора NF-E2». Кровь . 96 (4): 1366–73. дои : 10.1182/blood.V96.4.1366 . ПМИД 10942379.
^ Ян Х, Гангули А, Инь С, Кабрал Ф (март 2011 г.). «β-тубулин класса VI, специфичный для линии мегакариоцитов, подавляет динамику микротрубочек, фрагментирует микротрубочки и блокирует деление клеток». Цитоскелет . 68 (3): 175–87. дои : 10.1002/см.20503. ПМК 3082363 . ПМИД 21309084.
^ McNally FJ, Vale RD (ноябрь 1993 г.). «Идентификация катанин, АТФазы, которая разрезает и разбирает стабильные микротрубочки». Клетка . 75 (3): 419–29. дои : 10.1016/0092-8674(93)90377-3. PMID 8221885. S2CID 10264319.
^ Чумова Дж, Трегелова Л, Коурова Х, Волц Дж, Сулименко В, Халада П, Кучера О, Бенада О, Кучаржова А, Клебанович А, Драбер П, Даниэль Г, Бинарова П (2018). «γ-Тубулин обладает консервативным внутренним свойством самополимеризации с образованием двухцепочечных нитей и фибриллярных сетей». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1865 (5): 734–748. дои : 10.1016/j.bbamcr.2018.02.009 . PMID 29499229. S2CID 4053150.
^ Зонтаг Калифорния, Сейдж Х., Эриксон Х.П. (сентябрь 2009 г.). «Гетеродимер BtubA-BtubB является важным промежуточным продуктом в сборке протофиламентов». ПЛОС ОДИН . 4 (9): е7253. Бибкод : 2009PLoSO...4.7253S. дои : 10.1371/journal.pone.0007253 . ПМК 2746283 . ПМИД 19787042.
^ Марголин В. (ноябрь 2005 г.). «FtsZ и деление прокариотических клеток и органелл». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 6 (11): 862–71. дои : 10.1038/nrm1745. ПМЦ 4757588 . ПМИД 16227976.
^ Ни Л, Сюй В, Кумарасвами М, Шумахер М.А. (июнь 2010 г.). «Плазмидный белок TubR использует особый способ связывания HTH с ДНК и привлекает прокариотический гомолог тубулина TubZ для осуществления разделения ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (26): 11763–8. дои : 10.1073/pnas.1003817107 . ПМЦ 2900659 . ПМИД 20534443.
^ Чайкеэратисак, В; Нгуен, К; Иган, Мэн; Эрб, МЛ; Вавилина А; Польяно, Дж. (15 августа 2017 г.). «Фаговое ядро и тубулиновое веретено консервативны среди крупных фагов Pseudomonas». Отчеты по ячейкам . 20 (7): 1563–1571. дои : 10.1016/j.celrep.2017.07.064. ПМК 6028189 . ПМИД 28813669.
^ Мэлоун, Люсия М.; Уорринг, Сюзанна Л.; Джексон, Саймон А.; Варнеке, Кэролин; Гарднер, Пол П.; Гуми, Лаура Ф.; Финеран, Питер К. (9 декабря 2019 г.). «Большой фаг, образующий ядроподобную структуру, уклоняется от воздействия CRISPR-Cas на ДНК, но уязвим для иммунитета, основанного на РНК III типа». Природная микробиология . 5 (1): 48–55. bioRxiv 10.1101/782524 . дои : 10.1038/s41564-019-0612-5. PMID 31819217. S2CID 209164667.
^ Акыл, Джанер; Али, Самсон; Тран, Линь Т.; Гайяр, Джереми; Ли, Вэньфэй; Хаясида, Кеничи; Хиросе, Мика; Като, Такаюки; Осима, Ацунори; Фудзисима, Косукэ; Бланшуан, Лоран; Нарита, Акихиро; Робинсон, Роберт С. (2021). «Структура и динамика тубулина Odinarchaeota и значение для эволюции эукариотических микротрубочек». bioRxiv 10.1101/2021.10.22.465531 . дои : 10.1101/2021.10.22.465531. S2CID 239831170.{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
^ ван дер Хейден Р., Джейкобс Д.И., Снойер В., Халлард Д., Верпорте Р. (март 2004 г.). «Алкалоиды катаранта: фармакогнозия и биотехнология». Современная медицинская химия . 11 (5): 607–28. дои : 10.2174/0929867043455846. ПМИД 15032608.
^ Равинья, Энрике (2011). «Алкалоиды барвинка». Эволюция открытия лекарств: от традиционных лекарств к современным лекарствам . Джон Уайли и сыновья . стр. 157–159. ISBN9783527326693.
^ Купер, Раймонд; Дикин, Джеффри Джон (2016). «Подарок Африки миру». Ботанические чудеса: химия растений, изменивших мир . ЦРК Пресс . стр. 46–51. ISBN9781498704304.
^ Кеглевич П., Хазай Л., Калаус Г., Сантай С. (май 2012 г.). «Модификации основных скелетов винбластина и винкристина». Молекулы . 17 (5): 5893–914. дои : 10.3390/molecules17055893 . ПМК 6268133 . ПМИД 22609781.
^ Нго QA, Русси Ф, Кормье А, Торет С, Кноссов М, Генар Д, Герит Ф (январь 2009 г.). «Синтез и биологическая оценка алкалоидов барвинка и гибридов фомопсина». Журнал медицинской химии . 52 (1): 134–42. дои : 10.1021/jm801064y. ПМИД 19072542.
^ Альтманн, Карл-Хайнц (2009). «Доклиническая фармакология и исследования структуры-активности эпотилонов». В Мульцере, Иоганн Х. (ред.). Эпотилоны: выдающееся семейство противоопухолевых средств: от почвы к клинике . Springer Science & Business Media . стр. 157–220. ISBN9783211782071.
^ Самсон А.Л., Кнаупп А.С., Сашиндранат М., Борг Р.Дж., Ау А.Е., Копс Э.Дж. и др. (октябрь 2012 г.). «Нуклеоцитоплазматическая коагуляция: событие агрегации, вызванное повреждением, которое дисульфид сшивает белки и облегчает их удаление плазмином». Отчеты по ячейкам . 2 (4): 889–901. дои : 10.1016/j.celrep.2012.08.026 . ПМИД 23041318.