У эукариот есть шесть членов суперсемейства тубулинов, хотя не все они присутствуют у всех видов. [3] [4] Оба тубулина, α и β, имеют массу около 50 кДа и, таким образом, находятся в схожем диапазоне по сравнению с актином (с массой ~42 кДа). Напротив, полимеры тубулина (микротрубочки), как правило, намного больше, чем актиновые нити из-за их цилиндрической природы.
Долгое время считалось, что тубулин специфичен для эукариот. Однако совсем недавно было показано, что несколько прокариотических белков связаны с тубулином. [5] [6] [7] [8]
Характеристика
Тубулин характеризуется эволюционно консервативным семейством тубулинов/FtsZ, доменом белка ГТФазы .
Этот домен белка ГТФазы обнаружен во всех эукариотических тубулиновых цепях, [9] а также в бактериальном белке TubZ, [8] архейном белке CetZ , [ 10 ] и семействе белков FtsZ , широко распространенном у бактерий и архей . [5] [11]
Функция
Микротрубочки
α- и β-тубулин полимеризуются в динамические микротрубочки. У эукариот микротрубочки являются одним из основных компонентов цитоскелета и функционируют во многих процессах, включая структурную поддержку, внутриклеточный транспорт и сегрегацию ДНК .
Для образования микротрубочек димеры α- и β-тубулина связываются с ГТФ и собираются на (+) концах микротрубочек, находясь в состоянии, связанном с ГТФ. [16] Субъединица β-тубулина экспонируется на плюс-конце микротрубочки, в то время как субъединица α-тубулина экспонируется на минус-конце. После того, как димер включен в микротрубочку, молекула ГТФ, связанная с субъединицей β-тубулина, в конечном итоге гидролизуется в ГДФ через междимерные контакты вдоль протофиламента микротрубочки . [17] Молекула ГТФ, связанная с субъединицей α-тубулина, не гидролизуется в течение всего процесса. Связан ли член β-тубулина димера тубулина с ГТФ или ГДФ, влияет на стабильность димера в микротрубочке. Димеры, связанные с ГТФ, имеют тенденцию собираться в микротрубочки, в то время как димеры, связанные с ГДФ, имеют тенденцию распадаться; таким образом, этот цикл ГТФ имеет важное значение для динамической нестабильности микротрубочек.
Бактериальные микротрубочки
Гомологи α- и β-тубулина были идентифицированы в роде бактерий Prosthecobacter . [6] Они обозначены как BtubA и BtubB, чтобы идентифицировать их как бактериальные тубулины. Оба демонстрируют гомологию как с α-, так и с β-тубулином. [18] Хотя структурно они очень похожи на эукариотические тубулины, они обладают несколькими уникальными особенностями, включая сворачивание без шаперона и слабую димеризацию. [19] Криогенная электронная микроскопия показала, что BtubA/B образует микротрубочки in vivo , и предположила, что эти микротрубочки состоят только из пяти протофиламентов, в отличие от эукариотических микротрубочек, которые обычно состоят из 13. [13] Последующие исследования in vitro показали, что BtubA/B образует четырехцепочечные «мини-микротрубочки». [20]
ДНК-сегрегация
Деление клеток
Прокариотическое деление
FtsZ обнаружен почти у всех бактерий и архей , где он функционирует в клеточном делении , локализуясь в кольце в середине делящейся клетки и привлекая другие компоненты дивисомы, группы белков, которые вместе сужают клеточную оболочку, чтобы отщипнуть клетку, давая две дочерние клетки. FtsZ может полимеризоваться в трубки, листы и кольца in vitro и образовывать динамические нити in vivo .
TubZ функционирует в сегрегации плазмид с низким числом копий во время деления бактериальных клеток. Белок образует структуру, необычную для гомолога тубулина; две спиральные нити обертываются друг вокруг друга. [21] Это может отражать оптимальную структуру для этой роли, поскольку неродственный белок разделения плазмиды ParM демонстрирует похожую структуру. [22]
Форма ячейки
CetZ функционирует в изменении формы клеток у плеоморфных Haloarchaea . У Haloferax volcanii CetZ формирует динамические цитоскелетные структуры, необходимые для дифференциации из пластинчатой формы клеток в стержневую форму, которая демонстрирует плавательную подвижность. [10]
Типы
Эукариотические
Суперсемейство тубулинов включает шесть семейств (альфа-(α), бета-(β), гамма-(γ), дельта-(δ), эпсилон-(ε) и зета-(ζ) тубулины). [23]
Все препараты, которые, как известно, связываются с человеческим тубулином, связываются и с β-тубулином. [24] К ним относятся паклитаксел , колхицин и алкалоиды барвинка , каждый из которых имеет отдельный сайт связывания с β-тубулином. [24]
Кроме того, несколько противогельминтных препаратов преимущественно нацелены на колхициновый участок β-тубулина у червей, а не у высших эукариот. В то время как мебендазол все еще сохраняет некоторую связывающую способность с β-тубулином человека и дрозофилы , [25] альбендазол почти исключительно связывается с β-тубулином червей и других низших эукариот. [26] [27]
Класс III β-тубулин — это элемент микротрубочек, экспрессируемый исключительно в нейронах , [28] и популярный идентификатор, специфичный для нейронов в нервной ткани. Он связывает колхицин гораздо медленнее, чем другие изотипы β-тубулина. [29]
β1-тубулин , иногда называемый β-тубулином класса VI, [30] является наиболее дивергентным на уровне аминокислотной последовательности. [31] Он экспрессируется исключительно в мегакариоцитах и тромбоцитах у людей и, по-видимому, играет важную роль в формировании тромбоцитов. [31] Когда β-тубулин класса VI экспрессируется в клетках млекопитающих, он вызывает нарушение сети микротрубочек, образование фрагментов микротрубочек и в конечном итоге может вызывать появление структур, подобных маргинальным полосам, присутствующих в мегакариоцитах и тромбоцитах. [32]
Катанин — это белковый комплекс, который разделяет микротрубочки на субъединицы β-тубулина и необходим для быстрого транспорта микротрубочек в нейронах и высших растениях. [33]
γ-Тубулин, другой член семейства тубулинов, играет важную роль в зарождении и полярной ориентации микротрубочек. Он обнаруживается в основном в центросомах и веретенных полюсных тельцах , поскольку это области наиболее обильного зарождения микротрубочек. В этих органеллах несколько молекул γ-тубулина и других белков находятся в комплексах, известных как комплексы γ-тубулиновых колец (γ-TuRC), которые химически имитируют (+) конец микротрубочки и, таким образом, позволяют микротрубочкам связываться. γ-тубулин также был выделен в виде димера и как часть малого комплекса γ-тубулина (γTuSC), промежуточного по размеру между димером и γTuRC. γ-тубулин является наиболее изученным механизмом зарождения микротрубочек, но некоторые исследования показали, что некоторые клетки могут быть способны адаптироваться к его отсутствию, как показывают исследования мутаций и РНК-интерференции, которые подавили его правильную экспрессию. Помимо формирования γ-TuRC для зарождения и организации микротрубочек, γ-тубулин может полимеризоваться в нити, которые собираются в пучки и сети. [34]
Было обнаружено, что дельта (δ) и эпсилон (ε) тубулин локализуются в центриолях и могут играть роль в структуре и функционировании центриолей, хотя ни один из них не изучен так хорошо, как α- и β-формы.
Зета-тубулин ( IPR004058 ) присутствует во многих эукариотах, но отсутствует у других, включая плацентарных млекопитающих. Было показано, что он связан с базальной ножкой центриолей в многоресничных эпителиальных клетках. [4]
Прокариотические
BtubA/B
BtubA ( Q8GCC5 ) и BtubB ( Q8GCC1 ) обнаружены у некоторых видов бактерий рода Verrucomicrobiota Prosthecobacter . [6] Их эволюционная связь с эукариотическими тубулинами неясна, хотя они могли произойти от эукариотической линии путем горизонтального переноса генов . [19] [18] 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. [35]
TubZ ( Q8KNP3 ; pBt156) был идентифицирован в Bacillus thuringiensis как необходимый для поддержания плазмиды . [8] Он связывается с ДНК-связывающим белком, называемым TubR ( Q8KNP2 ; pBt157), чтобы перемещать плазмиду. [37]
Фаги рода Phikzlikevirus , а также фаг Serratia PCH45 используют белок оболочки ( Q8SDA8 ) для построения структуры, похожей на ядро, называемой ядром фага. Эта структура охватывает ДНК, а также репликационный и транскрипционный аппарат. Она защищает ДНК фага от защитных механизмов хозяина, таких как рестриктазы и системы CRISPR -Cas типа I. Веретенообразующий тубулин, называемый по-разному PhuZ ( B3FK34 ) и gp187 , центрирует ядро в клетке. [38] [39]
Одинархеота тубулин
Тубулин архей Асгарда из гидротермально-живущих Odinarchaeota (OdinTubulin) был идентифицирован как настоящий тубулин. OdinTubulin образует протомеры и протофиламенты, наиболее похожие на эукариотические микротрубочки, но при этом собирается в кольцевые системы, более похожие на FtsZ , что указывает на то, что OdinTubulin может представлять собой эволюционное промежуточное звено между FtsZ и тубулинами, образующими микротрубочки. [40]
Фармакология
Тубулины являются мишенями для противораковых препаратов [41] [42] [43], таких как винбластин и винкристин , [44] [45] и паклитаксел . [46] Противогельминтные препараты мебендазол и альбендазол , а также противоподагрический препарат колхицин связываются с тубулином и подавляют образование микротрубочек. В то время как первые в конечном итоге приводят к гибели клеток у червей, последний останавливает подвижность нейтрофилов и уменьшает воспаление у людей. Противогрибковый препарат гризеофульвин нацелен на образование микротрубочек и применяется в лечении рака.
В настоящее время проводится множество научных исследований ацетилирования, осуществляемого в некоторых микротрубочках, в частности, ацетилирования, осуществляемого α-тубулин-N-ацетилтрансферазой (ATAT1), которая, как было показано, играет важную роль во многих биологических и молекулярных функциях и, следовательно, также связана со многими заболеваниями человека, особенно неврологическими .
^ Gunning PW, Ghoshdastider U, Whitaker S, Popp D, Robinson RC (июнь 2015 г.). «Эволюция композиционно и функционально различных актиновых филаментов». Journal of Cell Science . 128 (11): 2009–19. doi : 10.1242/jcs.165563 . PMID 25788699.
^ Mohri, H. (1968-03-16). "Аминокислотный состав "Тубулина", составляющего микротрубочки жгутиков сперматозоидов". Nature . 217 (5133): 1053–1054. doi :10.1038/2171053a0. ISSN 0028-0836. PMID 4296139.
^ Findeisen P, Mühlhausen S, Dempewolf S, Hertzog J, Zietlow A, Carlomagno T, Kollmar M «Шесть подгрупп и обширные недавние дупликации характеризуют эволюцию семейства эукариотических белков 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 компонентом центриолярной базальной ножки в многоресничных клетках» Current Biology (2015) 25 :2177-2183.
^ ab Nogales E, Downing KH, Amos LA, Löwe J (июнь 1998 г.). «Тубулин и FtsZ образуют отдельное семейство ГТФаз». Nature Structural Biology . 5 (6): 451–8. doi :10.1038/nsb0698-451. PMID 9628483. S2CID 5945125.
^ abc Jenkins C, Samudrala R, Anderson I, Hedlund BP, Petroni G, Michailova N, et al. (декабрь 2002 г.). «Гены цитоскелетного белка тубулина в бактериальном роде Prosthecobacter». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (26): 17049–54. Bibcode : 2002PNAS...9917049J. doi : 10.1073/pnas.012516899 . PMC 139267. PMID 12486237 .
^ Ютин Н, Кунин ЕВ (март 2012). "Архейное происхождение тубулина". Biology Direct . 7 : 10. doi : 10.1186/1745-6150-7-10 . PMC 3349469. PMID 22458654 .
^ abc Larsen RA, Cusumano C, Fujioka A, Lim-Fong G, Patterson P, Pogliano J (июнь 2007 г.). «Тредмиллинг прокариотического тубулин-подобного белка TubZ, необходимого для стабильности плазмиды в Bacillus thuringiensis». Genes & Development . 21 (11): 1340–52. doi :10.1101/gad.1546107. PMC 1877747 . PMID 17510284.
^ Nogales E, Wolf SG, Downing KH (январь 1998). «Структура димера альфа-бета-тубулина с помощью электронной кристаллографии». Nature . 391 (6663): 199–203. Bibcode :1998Natur.391..199N. doi :10.1038/34465. PMID 9428769. S2CID 4412367.
^ abc Duggin IG, Aylett CH, Walsh JC, Michie KA, Wang Q, Turnbull L и др. (март 2015 г.). «CetZ tubulin-like proteins control archaeal cell shape». Nature . 519 (7543): 362–5. Bibcode :2015Natur.519..362D. doi :10.1038/nature13983. PMC 4369195 . PMID 25533961.
^ Löwe J, Amos LA (январь 1998). "Кристаллическая структура бактериального белка деления клеток FtsZ". Nature . 391 (6663): 203–6. Bibcode :1998Natur.391..203L. doi :10.1038/34472. PMID 9428770. S2CID 4330857.
^ ab Pilhofer M, Ladinsky MS, McDowall AW, Petroni G, Jensen GJ (декабрь 2011 г.). «Микротрубочки у бактерий: Древние тубулины строят пятипротофиламентный гомолог эукариотического цитоскелета». PLOS Biology . 9 (12): e1001213. doi : 10.1371/journal.pbio.1001213 . PMC 3232192. PMID 22162949 .
^ Williams RC, Shah C, Sackett D (ноябрь 1999 г.). «Разделение изоформ тубулина с помощью изоэлектрического фокусирования в иммобилизованных гелях с градиентом pH». Аналитическая биохимия . 275 (2): 265–7. doi :10.1006/abio.1999.4326. PMID 10552916.
^ "тубулин в белковых последовательностях". EMBL-EBI .
^ Heald R, Nogales E (январь 2002 г.). «Динамика микротрубочек». Journal of Cell Science . 115 (Pt 1): 3–4. doi : 10.1242/jcs.115.1.3 . PMID 11801717.
^ Howard J, Hyman AA (апрель 2003 г.). «Динамика и механика плюс-конца микротрубочки». Nature . 422 (6933): 753–8. Bibcode :2003Natur.422..753H. doi :10.1038/nature01600. PMID 12700769. S2CID 4427406.
^ ab Martin-Galiano AJ, Oliva MA, Sanz L, Bhattacharyya A, Serna M, Yebenes H, et al. (июнь 2011 г.). «Отдельные последовательности петель бактериального тубулина и примитивные свойства сборки подтверждают его происхождение от эукариотического предка тубулина». Журнал биологической химии . 286 (22): 19789–803. doi : 10.1074/jbc.M111.230094 . PMC 3103357. PMID 21467045 .
^ ab Schlieper D, Oliva MA, Andreu JM, Löwe J (июнь 2005 г.). «Структура бактериального тубулина BtubA/B: доказательства горизонтального переноса генов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (26): 9170–5. Bibcode : 2005PNAS..102.9170S. doi : 10.1073/pnas.0502859102 . PMC 1166614. PMID 15967998 .
^ Deng X, Fink G, Bharat TA, He S, Kureisaite-Ciziene D, Löwe J (июль 2017 г.). «Prosthecobacter BtubAB проявляет динамическую нестабильность». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (29): E5950–E5958. doi : 10.1073/pnas.1705062114 . PMC 5530688. PMID 28673988 .
^ Aylett CH, Wang Q, Michie KA, Amos LA, Löwe J (ноябрь 2010 г.). «Структура нитей бактериального гомолога тубулина TubZ». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (46): 19766–71. Bibcode : 2010PNAS..10719766A. doi : 10.1073/pnas.1010176107 . PMC 2993389. PMID 20974911 .
^ ab Zhou J, Giannakakou P (январь 2005 г.). «Нацеливание на микротрубочки для химиотерапии рака». Current Medicinal Chemistry. Противораковые агенты . 5 (1): 65–71. doi :10.2174/1568011053352569. PMID 15720262.
^ "Мебендазол". Drugs.com . Американское общество фармацевтов системы здравоохранения. Архивировано из оригинала 11 декабря 2019 г. Получено 18 августа 2015 г.
^ "Альбендазол". Drugs.com . Американское общество фармацевтов системы здравоохранения. Архивировано из оригинала 23 сентября 2015 г. Получено 18 августа 2015 г.
^ Serbus LR, Landmann F, Bray WM, White PM, Ruybal J, Lokey RS и др. (сентябрь 2012 г.). «Клеточный скрининг показывает, что метаболит альбендазола, сульфон альбендазола, нацелен на Wolbachia». PLOS Pathogens . 8 (9): e1002922. doi : 10.1371/journal.ppat.1002922 . PMC 3447747. PMID 23028321 .
^ Карки Р., Мариани М., Андреоли М., Хе С., Скамбия Г., Шахаби С., Ферлини К. (апрель 2013 г.). «βIII-тубулин: биомаркер устойчивости к таксану или лекарственная мишень?». Мнение экспертов по терапевтическим мишеням . 17 (4): 461–72. doi :10.1517/14728222.2013.766170. PMID 23379899. S2CID 26229777.
^ Ludueña RF (май 1993). «Являются ли изотипы тубулина функционально значимыми». Молекулярная биология клетки . 4 (5): 445–57. doi :10.1091/mbc.4.5.445. PMC 300949. PMID 8334301 .
^ "TUBB1 тубулин, бета 1 класс VI [Homo sapiens (человек)]". Ген - NCBI .
^ ab Lecine P, et al. (август 2000 г.). «Гемопоэтически-специфический бета-1-тубулин участвует в пути биогенеза тромбоцитов, зависящем от фактора транскрипции NF-E2». Blood . 96 (4): 1366–73. doi : 10.1182/blood.V96.4.1366 . PMID 10942379.
^ Yang H, Ganguly A, Yin S, Cabral F (март 2011 г.). «Мегакариоцитарный специфичный к линии клеток класс VI β-тубулин подавляет динамику микротрубочек, фрагментирует микротрубочки и блокирует деление клеток». Cytoskeleton . 68 (3): 175–87. doi :10.1002/cm.20503. PMC 3082363 . PMID 21309084.
^ McNally FJ, Vale RD (ноябрь 1993 г.). «Идентификация катанина, АТФазы, которая разрывает и разбирает стабильные микротрубочки». Cell . 75 (3): 419–29. doi :10.1016/0092-8674(93)90377-3. PMID 8221885. S2CID 10264319.
^ Чумова Дж, Трегелова Л, Коурова Х, Волк 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.
^ Sontag CA, Sage H, Erickson HP (сентябрь 2009 г.). "Гетеродимер BtubA-BtubB является важным промежуточным звеном в сборке протофиламента". PLOS ONE . 4 (9): e7253. Bibcode :2009PLoSO...4.7253S. doi : 10.1371/journal.pone.0007253 . PMC 2746283 . PMID 19787042.
^ Margolin W (ноябрь 2005 г.). «FtsZ и деление прокариотических клеток и органелл». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 6 (11): 862–71. doi :10.1038/nrm1745. PMC 4757588. PMID 16227976 .
^ Ni L, Xu W, Kumaraswami M, Schumacher MA (июнь 2010 г.). «Плазмидный белок TubR использует особый режим связывания HTH-ДНК и привлекает прокариотический гомолог тубулина TubZ для осуществления разделения ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (26): 11763–8. doi : 10.1073/pnas.1003817107 . PMC 2900659. PMID 20534443 .
^ Chaikeeratisak, V; Nguyen, K; Egan, ME; Erb, ML; Vavilina, A; Pogliano, J (15 августа 2017 г.). «Ядро фага и веретено тубулина сохраняются среди крупных фагов Pseudomonas». Cell Reports . 20 (7): 1563–1571. doi :10.1016/j.celrep.2017.07.064. PMC 6028189 . PMID 28813669.
^ Malone, Lucia M.; Warring, Suzanne L.; Jackson, Simon A.; Warnecke, Carolin; Gardner, Paul P.; Gumy, Laura F.; Fineran, Peter C. (9 декабря 2019 г.). «Гигантский фаг, образующий структуру, похожую на ядро, избегает воздействия ДНК CRISPR–Cas, но уязвим для иммунитета на основе РНК III типа». Nature Microbiology . 5 (1): 48–55. bioRxiv 10.1101/782524 . doi :10.1038/s41564-019-0612-5. PMID 31819217. S2CID 209164667.
^ Акыл, Канер; Али, Самсон; Тран, Линь Т.; Гайяр, Джереми; Ли, Вэньфэй; Хаяшида, Кеничи; Хиросе, Мика; Като, Такаюки; Ошима, Ацунори; Фудзисима, Косуке; Бланшуан, Лоран; Нарита, Акихиро; Робинсон, Роберт К. (2021). «Структура и динамика тубулина Odinarchaeota и последствия для эволюции микротрубочек эукариот». bioRxiv 10.1101/2021.10.22.465531 . doi :10.1101/2021.10.22.465531. S2CID 239831170.{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
^ van Der Heijden R, Jacobs DI, Snoeijer W, Hallard D, Verpoorte R (март 2004 г.). «Алкалоиды катарантуса: фармакогнозия и биотехнология». Current Medicinal Chemistry . 11 (5): 607–28. doi :10.2174/0929867043455846. PMID 15032608.
^ Равинья, Энрике (2011). «Алкалоиды барвинка». Эволюция открытия лекарств: от традиционных лекарств к современным лекарствам . John Wiley & Sons . стр. 157–159. ISBN9783527326693.
^ Купер, Рэймонд; Дикин, Джеффри Джон (2016). «Подарок Африки миру». Ботанические чудеса: химия растений, изменивших мир . CRC Press . стр. 46–51. ISBN9781498704304.
^ Keglevich P, Hazai L, Kalaus G, Szántay C (май 2012). «Модификации основных скелетов винбластина и винкристина». Molecules . 17 (5): 5893–914. doi : 10.3390/molecules17055893 . PMC 6268133 . PMID 22609781.
^ Ngo QA, Roussi F, Cormier A, Thoret S, Knossow M, Guénard D, Guéritte F (январь 2009 г.). «Синтез и биологическая оценка алкалоидов барвинка и гибридов фомопсина». Журнал медицинской химии . 52 (1): 134–42. doi :10.1021/jm801064y. PMID 19072542.
^ Альтманн, Карл-Хайнц (2009). «Доклиническая фармакология и исследования структуры и активности эпотилонов». В Mulzer, Johann H. (ред.). Эпотилоны: выдающееся семейство противоопухолевых агентов: от почвы до клиники . Springer Science & Business Media . стр. 157–220. ISBN9783211782071.
^ Samson AL, Knaupp AS, Sashindranath M, Borg RJ, Au AE, Cops EJ и др. (октябрь 2012 г.). «Нуклеоцитоплазматическая коагуляция: вызванное травмой событие агрегации, при котором дисульфидные связи связывают белки и облегчают их удаление плазмином». Cell Reports . 2 (4): 889–901. doi : 10.1016/j.celrep.2012.08.026 . PMID 23041318.