Mikrotubuli - Microtubule
Mikrotubuli är polymerer av tubulin som utgör en del av cytoskeletet och ger struktur och form till eukaryota celler . Mikrotubuli kan växa så länge som 50 mikrometer och är mycket dynamiska. Den yttre diametern på en mikrotubuli är mellan 23 och 27 nm medan den inre diametern är mellan 11 och 15 nm. De bildas genom polymerisation av en dimer av två globulära proteiner , alfa och beta -tubulin till protofilament som sedan kan associeras i sidled för att bilda ett ihåligt rör, mikrotubuli. Den vanligaste formen av en mikrotubuli består av 13 protofilament i det rörformade arrangemanget.
Mikrotubuli är mycket viktiga i ett antal cellulära processer . De är involverade i att upprätthålla cellens struktur och tillsammans med mikrofilament och mellanliggande filament bildar de cytoskelet . De utgör också den inre strukturen av cilia och flagella . De tillhandahåller plattformar för intracellulär transport och är involverade i en mängd olika cellulära processer, inklusive rörelse av sekretoriska vesiklar , organeller och intracellulära makromolekylära sammansättningar (se poster för dynein och kinesin ). De är också involverade i celldelning (genom mitos och meios ) och är de viktigaste beståndsdelarna i mitotiska spindlar , som används för att dra isär eukaryota kromosomer .
Mikrotubuli kärnas och organiseras av mikrotubuliorganisationscentra (MTOC), såsom centrosomen som finns i mitten av många djurceller eller baskropparna som finns i cilia och flagella, eller spindelpolkropparna som finns i de flesta svampar.
Det finns många proteiner som binder till mikrotubuli, inklusive motorproteinerna kinesin och dynein , mikrotubuliavskiljande proteiner som katanin och andra proteiner som är viktiga för att reglera mikrotubuli-dynamiken. Nyligen har ett aktinliknande protein hittats i en grampositiv bakterie Bacillus thuringiensis , som bildar en mikrotubuliknande struktur som kallas en nanotubuli, involverad i plasmidsegregation . Andra bakteriella mikrotubuli har en ring med fem protofilament.
Historia
Tubulin- och mikrotubuli-medierade processer, såsom cellrörelse, sågs av tidiga mikroskopister, som Leeuwenhoek (1677). Flagellas och andra strukturs fibrösa natur upptäcktes dock två århundraden senare, med förbättrade ljusmikroskop , och bekräftades på 1900 -talet med elektronmikroskop och biokemiska studier.
Mikrotubuli in vitro-analyser för motorproteiner som dynein och kinesin undersöks genom att fluorescerande märka en mikrotubuli och fixera antingen mikrotubuli eller motorproteiner till ett mikroskopglas och sedan visualisera objektglaset med videoförbättrad mikroskopi för att spela in mikrotubulismotorproteins resa. Detta tillåter rörelse av motorproteinerna längs mikrotubuli eller mikrotubuli som rör sig över motorproteinerna. Följaktligen kan vissa mikrotubuli -processer bestämmas med kymograf .
Strukturera
I eukaryoter mikrotubuli är långa, ihåliga cylindrar består av polymeriserad α- och β- tubulin dimerer . Det inre utrymmet i de ihåliga mikrotubuli -cylindrarna kallas lumen. A- och p-tubulinsubenheterna är identiska på aminosyranivå och har var och en en molekylvikt av cirka 50 kDa.
Dessa α / β-tubulin dimerer polymerisera ände mot ände till linjära protofilament som associerar i sidled för att bilda en enda mikrotubuli, som sedan kan förlängas genom tillsättning av mer α / β-tubulindimerer. Vanligtvis bildas mikrotubuli genom parallell sammanslutning av tretton protofilament, även om mikrotubuli sammansatta av färre eller fler protofilament har observerats i olika arter såväl som in vitro .
Mikrotubuli har en distinkt polaritet som är avgörande för deras biologiska funktion. Tubulin polymeriserar ände till ände, med p-subenheterna i en tubulin-dimer i kontakt med a-subenheterna i nästa dimer. Därför, i ett protofilament, kommer ena änden att ha a-subenheterna exponerade medan den andra änden kommer att ha β-subenheterna exponerade. Dessa ändar betecknas ( -) respektive (+) ändarna. Protofilamenten buntar parallellt med varandra med samma polaritet, så i en mikrotubuli finns det ena änden, (+) änden, med endast β-subenheter exponerade, medan den andra änden, (-) änden endast har α -enheter utsatta. Även om mikrotubuli -förlängning kan ske i både (+) och ( -) ändarna, är den betydligt snabbare vid (+) änden.
Protofilamentens laterala sammanslutning genererar en pseudo-spiralformad struktur, med en varv på spiralen som innehåller 13 tubulindimerer, var och en från ett annat protofilament. I den vanligaste "13-3" arkitekturen interagerar den 13: e tubulindimern med nästa tubulindimer med en vertikal förskjutning av 3 tubulinmonomerer på grund av svängningens helicitet. Det finns andra alternativa arkitekturer, till exempel 11-3, 12-3, 14-3, 15-4 eller 16-4, som har upptäckts vid en mycket lägre förekomst. Mikrotubuli kan också förvandlas till andra former som spiralformade filament, som observeras i protistiska organismer som foraminifera . Det finns två olika typer av interaktioner som kan uppstå mellan subenheterna i laterala protofilament i mikrotubuli som kallas A-typ och B-typgitter. I gallret av A-typ uppträder de laterala föreningarna av protofilament mellan angränsande a- och β-tubulin-subenheter (dvs en a-tubulin-subenhet från ett protofilament interagerar med en β-tubulin-subenhet från ett intilliggande protofilament). I gallret av B-typ interagerar α- och β-tubulin-subenheterna från ett protofilament med a- och β-tubulin-subenheterna från ett intilliggande protofilament. Experimentella studier har visat att gallret av B-typ är det primära arrangemanget inom mikrotubuli. I de flesta mikrotubuli finns det dock en söm där tubulinunderenheter interagerar α-β.
Vissa arter av Prosthecobacter innehåller också mikrotubuli. Strukturen hos dessa bakteriella mikrotubuli liknar strukturen hos eukaryota mikrotubuli, bestående av ett ihåligt rör av protofilament sammansatta från heterodimerer av bakteriell tubulin A (BtubA) och bakteriell tubulin B (BtubB). Både BtubA och BtubB delar egenskaper hos både a- och β- tubulin . Till skillnad från eukaryota mikrotubuli kräver bakteriella mikrotubuli inte att chaperoner ska vikas. Till skillnad från de 13 protofilamenten i eukaryota mikrotubuli består bakteriella mikrotubuli av endast fem.
Intracellulär organisation
Mikrotubuli är en del av cytoskelet , ett strukturellt nätverk i cellens cytoplasma . Rollerna för mikrotubuli -cytoskeletet inkluderar mekaniskt stöd, organisering av cytoplasman, transport, rörlighet och kromosomsegregation. Vid utvecklingen av neuroner kallas mikrotubuli som neurotubuli , och de kan modulera dynamiken hos aktin , en annan komponent i cytoskelet. En mikrotubuli kan växa och krympa för att generera kraft, och det finns motorproteiner som gör att organeller och andra cellulära komponenter kan bäras längs en mikrotubuli. Denna kombination av roller gör mikrotubuli viktiga för att organisera och flytta intracellulära beståndsdelar.
Organisationen av mikrotubuli i cellen är celltypspecifik. I epitel förankras minusändarna av mikrotubulpolymeren nära platsen för cell-cellkontakt och organiseras längs den apikala-basala axeln. Efter kärnbildning frigörs minusändarna och förankras sedan igen i periferin av faktorer som ninin och PLEKHA7 . På detta sätt kan de underlätta transporten av proteiner, vesiklar och organeller längs cellens apikal-basala axel. I fibroblaster och andra mesenkymala celltyper förankras mikrotubuli vid centrosomen och strålar med sina plusändar utåt mot cellperiferin (som visas i den första figuren). I dessa celler spelar mikrotubuli viktiga roller vid cellmigration. Dessutom påverkas mikrotubulis polaritet av motorproteiner, som organiserar många komponenter i cellen, inklusive det endoplasmatiska retikulumet och Golgi -apparaten .
Mikrotubuli -polymerisation
Nucleation
Nukleation är händelsen som initierar bildandet av mikrotubuli från tubulindimeren. Mikrotubuli är typiskt kärnbildade och organiserade av organeller som kallas mikrotubuli-organiserande centra (MTOC). Innehållet i MTOC är en annan typ av tubulin, y-tubulin, som skiljer sig från a- och β-subenheterna i själva mikrotubuli. Y-tubulinet kombineras med flera andra associerade proteiner för att bilda en låsbricka-liknande struktur känd som "y-tubulin-ringkomplexet" (y-TuRC). Detta komplex fungerar som en mall för a/β-tubulin-dimerer för att börja polymerisera; det fungerar som ett lock på ( -) änden medan mikrotubulistillväxten fortsätter bort från MTOC i (+) riktning.
Den centrosom är den primära MTOC de flesta celltyper. Emellertid kan mikrotubuli också kärnas från andra platser. Till exempel, cilier och flag har MTOCs vid sin bas kallas basala organ . Dessutom föreslår arbete från Kaverina -gruppen vid Vanderbilt, liksom andra, att Golgi -apparaten kan fungera som en viktig plattform för kärnbildning av mikrotubuli. Eftersom kärnbildning från centrosomen i sig är symmetrisk kan Golgi-associerad mikrotubuli-kärnbildning tillåta cellen att upprätta asymmetri i mikrotubulusnätverket. I de senaste studierna identifierade Vale-gruppen vid UCSF proteinkomplexet augmin som en kritisk faktor för centrosomberoende, spindelbaserad mikrotubuli-generation. Det har visat sig interagera med γ-TuRC och öka mikrotubulitätheten kring mitotiska spindelns ursprung.
Vissa celltyper, såsom växtceller, innehåller inte väldefinierade MTOC. I dessa celler kärnas mikrotubuli från diskreta platser i cytoplasman. Andra celltyper, såsom trypanosomatidparasiter , har en MTOC men den finns permanent vid basen av ett flagellum. Här är kärnbildning av mikrotubuli för strukturella roller och för generering av den mitotiska spindeln inte från en kanonisk centriolliknande MTOC.
Polymerisation
Efter den inledande kärnbildningshändelsen måste tubulinmonomerer tillsättas till den växande polymeren. Processen att tillsätta eller ta bort monomerer beror på koncentrationen av αβ-tubulin dimerer i lösning i förhållande till den kritiska koncentrationen, vilket är steady state-koncentrationen av dimerer vid vilka det inte längre finns någon nätmontering eller demontering i slutet av mikrotubuli . Om dimerkoncentrationen är större än den kritiska koncentrationen polymeriseras och växer mikrotubuli. Om koncentrationen är mindre än den kritiska koncentrationen minskar mikrotubulusens längd.
Mikrotubuli dynamik
Dynamisk instabilitet
Dynamisk instabilitet hänvisar till samexistensen av montering och demontering vid ändarna av en mikrotubuli. Mikrotubuli kan dynamiskt växla mellan växande och krympande faser i denna region. Tubulin -dimerer kan binda två molekyler GTP, varav en kan hydrolyseras efter montering. Under polymerisationen är tubulindimererna i GTP -bundet tillstånd. GTP bunden till a-tubulin är stabil och den spelar en strukturell funktion i detta bundna tillstånd. GTP bunden till β-tubulin kan emellertid hydrolyseras till BNP strax efter montering. Monteringsegenskaperna för BNP-tubulin skiljer sig från de hos GTP-tubulin, eftersom BNP-tubulin är mer benägna att depolymerisera. En BNP-bunden tubulin-subenhet vid spetsen av en mikrotubuli tenderar att falla av, även om ett BNP-bundet tubulin i mitten av en mikrotubuli inte spontant kan komma ut ur polymeren. Eftersom tubulin lägger till i änden av mikrotubuli i GTP-bundet tillstånd, föreslås ett lock av GTP-bundet tubulin att existera vid spetsen av mikrotubuli, vilket skyddar det från demontering. När hydrolysen når upp till toppen av mikrotubuli börjar den en snabb depolymerisering och krympning. Denna övergång från tillväxt till krympning kallas en katastrof. GTP-bunden tubulin kan börja lägga till spetsen på mikrotubuli igen, vilket ger ett nytt lock och skyddar mikrotubuli från att krympa. Detta kallas "räddning".
"Sök och fånga" -modell
1986 föreslog Marc Kirschner och Tim Mitchison att mikrotubuli skulle använda sina dynamiska egenskaper för tillväxt och krympning vid sina plusändar för att undersöka cellens tredimensionella utrymme. Plus -ändar som möter kinetokorer eller polaritetsplatser fastnar och visar inte längre tillväxt eller krympning. I motsats till normala dynamiska mikrotubuli, som har en halveringstid på 5–10 minuter, kan de fångade mikrotubuli vara i timmar. Denna idé är allmänt känd som "sök och fånga" -modellen. Verkligen har arbetet sedan dess i hög grad validerat denna idé. Vid kinetokoren har en mängd olika komplex visat sig fånga mikrotubuli (+)-ändar. Dessutom har en (+)-slut-kapslingsaktivitet för interfasmikrotubuli också beskrivits. Denna senare aktivitet förmedlas av forminer , det adenomatösa polypos coli -proteinet och EB1 , ett protein som spårar längs de växande plusändarna av mikrotubuli.
Reglering av mikrotubuli dynamik
Eftertranslationella ändringar
Även om de flesta mikrotubuli har en halveringstid på 5-10 minuter, kan vissa mikrotubuli förbli stabila i timmar. Dessa stabiliserade mikrotubuli ackumulerar post-translationella modifieringar på sina tubulinunderenheter genom verkan av mikrotubuli-bundna enzymer. Men när mikrotubuli depolymeriseras, vänds de flesta av dessa modifieringar snabbt av lösliga enzymer. Eftersom de flesta modifieringsreaktionerna är långsamma medan deras omvända reaktioner är snabba, detekteras modifierat tubulin endast på långlivade stabila mikrotubuli. De flesta av dessa modifieringar sker på den C-terminala regionen av alfa-tubulin. Denna region, som är rik på negativt laddad glutamat, bildar relativt ostrukturerade svansar som skjuter ut från mikrotubuli och bildar kontakter med motorer. Således antas det att tubulinmodifieringar reglerar interaktionen mellan motorer och mikrotubuli. Eftersom dessa stabila modifierade mikrotubuli vanligtvis är orienterade mot platsen för cellpolaritet i interfasceller, ger denna delmängd av modifierade mikrotubuli en specialiserad väg som hjälper till att leverera blåsor till dessa polariserade zoner. Dessa ändringar inkluderar:
- Detyrosinering : avlägsnande av C-terminal tyrosin från alfa-tubulin. Denna reaktion exponerar ett glutamat vid den nya C-terminalen. Som ett resultat kallas mikrotubuli som ackumulerar denna modifiering ofta Glu-mikrotubuli. Även om tubulinkarboxipeptidas ännu inte har identifierats är tubulin -tyrosinligas (TTL) känt.
- Delta2: avlägsnande av de två sista resterna från C-änden av alfa-tubulin. Till skillnad från detyrosinering anses denna reaktion vara irreversibel och har bara dokumenterats i neuroner.
- Acetylering : tillsats av en acetylgrupp till lysin 40 av alfa-tubulin. Denna modifiering sker på ett lysin som endast är tillgängligt från insidan av mikrotubuli, och det är fortfarande oklart hur enzymer kommer åt lysinresten. Tubulinacetyltransferasets karaktär förblir kontroversiell, men det har visat sig att hos däggdjur är det viktigaste acetyltransferaset ATAT1 . emellertid är det känt att omvänd reaktion katalyseras av HDAC6 .
- Polyglutamylering : tillsats av en glutamatpolymer (vanligtvis 4-6 rester lång) till gamma-karboxylgruppen för någon av fem glutamater som finns nära slutet av alfa-tubulin. Enzymer relaterade till TTL adderar det initiala förgreningsglutamatet (TTL4,5 och 7), medan andra enzymer som tillhör samma familj förlänger polyglutamatkedjan (TTL6,11 och 13).
- Polyglycylering : tillsats av en glycinpolymer (2-10 rester lång) till gamma-karboxylgruppen för någon av fem glutamater som finns nära slutet av beta-tubulin. TTL3 och 8 lägger till den initiala förgreningen glycin, medan TTL10 förlänger polyglycin -kedjan.
Tubulin är också känt för att vara fosforylerat , ubiquitinerat , sumoylerat och palmitoylerat .
Tubulinbindande läkemedel och kemiska effekter
En mängd olika läkemedel kan binda till tubulin och ändra dess sammansättningsegenskaper. Dessa läkemedel kan ha en effekt vid intracellulära koncentrationer som är mycket lägre än för tubulin. Denna störning av mikrotubuli -dynamiken kan leda till att cellens cellcykel stoppas och kan leda till programmerad celldöd eller apoptos . Det finns dock data som tyder på att störningar av mikrotubuli -dynamiken inte är tillräckliga för att blockera cellerna som genomgår mitos. Dessa studier har visat att undertryckande av dynamik sker vid koncentrationer som är lägre än de som behövs för att blockera mitos. Undertryckning av mikrotubuli -dynamiken genom tubulinmutationer eller genom läkemedelsbehandling har visat sig hämma cellmigration. Både mikrotubuli stabilisatorer och destabilisatorer kan undertrycka mikrotubuli dynamik.
De läkemedel som kan förändra mikrotubuli -dynamiken inkluderar:
- Den cancerbekämpande taxanklassen av läkemedel ( paklitaxel (taxol) och docetaxel ) blockerar dynamisk instabilitet genom att stabilisera BNP-bunden tubulin i mikrotubuli. Således, även när hydrolys av GTP når toppen av mikrotubuli, sker det ingen depolymerisering och mikrotubuli krymper inte tillbaka.
Taxaner (ensamma eller i kombination med platinaderivat (karboplatin) eller gemcitabin) används mot bröst- och gynekologiska maligniteter, skivepitelcancer (cancer i huvud och hals, vissa lungcancer), etc.
- De epotiloner , t ex Ixabepilon , arbete på ett liknande sätt till taxaner.
- Vinorelbin, Nocodazole , vincristine och colchicine har motsatt effekt och blockerar polymerisationen av tubulin till mikrotubuli.
- Eribulin binder till (+) växande änden av mikrotubuli. Eribulin utövar sina cancerframkallande effekter genom att utlösa apoptos av cancerceller efter långvarig och irreversibel mitotisk blockad.
Uttryck av β3-tubulin har rapporterats förändra cellulära svar på läkemedelsinducerad undertryckande av mikrotubuli dynamik. I allmänhet undertrycks dynamiken normalt av låga, subtoxiska koncentrationer av mikrotubuli -läkemedel som också hämmar cellmigration. Att införliva β3-tubulin i mikrotubuli ökar emellertid koncentrationen av läkemedel som behövs för att undertrycka dynamik och hämma cellmigration. Således är tumörer som uttrycker β3-tubulin inte bara resistenta mot de cytotoxiska effekterna av mikrotubuli riktade läkemedel, utan också mot deras förmåga att undertrycka tumörmetastaser. Dessutom motverkar expression av β3-tubulin också förmågan hos dessa läkemedel att hämma angiogenes, vilket normalt är en annan viktig aspekt av deras verkan.
Mikrotubuli -polymerer är extremt känsliga för olika miljöeffekter. Mycket låga halter av fritt kalcium kan destabilisera mikrotubuli och detta hindrade tidiga forskare från att studera polymeren in vitro. Kalla temperaturer orsakar också snabb depolymerisering av mikrotubuli. Däremot främjar tungt vatten mikrotubulpolymerstabilitet.
Proteiner som interagerar med mikrotubuli
Mikrotubuli-associerade proteiner (MAP)
MAP har visat sig spela en avgörande roll för reglering av mikrotubuli dynamik in vivo . Hastigheterna på mikrotubuli-polymerisation, depolymerisering och katastrof varierar beroende på vilka mikrotubuli-associerade proteiner (MAP) som finns. De ursprungligen identifierade kartorna från hjärnvävnad kan klassificeras i två grupper baserat på deras molekylvikt. Denna första klass omfattar MAP med en molekylvikt under 55-62 kDa och kallas τ (tau) proteiner . In vitro har tauproteiner visat sig direkt binda mikrotubuli, främja kärnbildning och förhindra demontering och framkalla bildandet av parallella matriser. Dessutom har tauproteiner också visat sig stabilisera mikrotubuli i axoner och har varit inblandade i Alzheimers sjukdom. Den andra klassen består av MAP med en molekylvikt på 200-1000 kDa, av vilka det finns fyra kända typer: MAP-1, MAP-2 , MAP-3 och MAP-4 . MAP-1-proteiner består av en uppsättning av tre olika proteiner: A , B och C. C-proteinet spelar en viktig roll vid retrograd transport av vesiklar och är också känt som cytoplasmatisk dynein . MAP-2-proteiner finns i dendriterna och i kroppen av neuroner, där de binder med andra cytoskeletala filament. MAP-4-proteinerna finns i de flesta celler och stabiliserar mikrotubuli. Förutom kartor som har en stabiliserande effekt på mikrotubulusstrukturen kan andra kartor ha en destabiliserande effekt antingen genom klyvning eller genom att inducera depolymerisering av mikrotubuli. Tre proteiner som kallas katanin , spastin och fidgetin har observerats för att reglera antalet och längden på mikrotubuli via deras destabiliserande aktiviteter. Vidare förutspås KIAA1211L vara lokaliserat till mikrotubuli.
Plus-end spårningsproteiner (+TIPS)
Plus slutspårningsproteiner är MAP -proteiner som binder till spetsarna av växande mikrotubuli och spelar en viktig roll för att reglera mikrotubuli -dynamiken. Till exempel har +TIPS observerats delta i interaktioner mellan mikrotubuli och kromosomer under mitos. Den första MAP som identifierades som ett +TIP var CLIP170 (cytoplasmatiskt linkerprotein), som har visat sig spela en roll vid mikrotubuli -depolymerisationsräddningshändelser. Ytterligare exempel på +TIPS inkluderar EB1 , EB2 , EB3 , p150Glued , Dynamitin , Lis1 , CLIP115 , CLASP1 och CLASP2 .
Motorproteiner
Mikrotubuli kan fungera som substrat för motorproteiner som är inblandade i viktiga cellulära funktioner såsom vesikelhandel och celldelning. Till skillnad från andra mikrotubuli-associerade proteiner använder motorproteiner energin från ATP-hydrolys för att generera mekaniskt arbete som förflyttar proteinet längs substratet. De viktigaste motorproteinerna som interagerar med mikrotubuli är kinesin , som vanligtvis rör sig mot (+) änden av mikrotubuli, och dynein , som rör sig mot ( -) änden.
- Dynein består av två identiska tunga kedjor, som utgör två stora globulära huvuddomäner och ett varierande antal mellan- och lätta kedjor. Dyneinmedierad transport sker från (+) änden mot (-) änden av mikrotubuli. ATP -hydrolys sker i de globulära huvuddomänerna, som delar likheter med proteinfamiljen AAA+ (ATPase associerad med olika cellulära aktiviteter). ATP-hydrolys i dessa domäner kopplas till rörelse längs mikrotubuli via de mikrotubuli-bindande domänerna. Dynein transporterar blåsor och organeller genom cytoplasman. För att göra detta binder dyneinmolekyler organellmembran via ett proteinkomplex som innehåller ett antal element inklusive dynaktin .
- Kinesin har en liknande struktur som dynein. Kinesin är involverat i transporten av en mängd olika intracellulära laster, inklusive vesiklar, organeller, proteinkomplex och mRNA mot mikrotubuliens (+) ände.
Vissa virus (inklusive retrovirus , herpesvirus , parvovirus och adenovirus ) som kräver åtkomst till kärnan för att replikera deras genom kopplas till motorproteiner .
Mitos
Centrosomes
Den centrosom är huvud MTOC ( mikrotubuli organiserande centrum ) i cellen under mitos. Varje centrosome består av två cylindrar som kallas centrioler , orienterade i rät vinkel mot varandra. Centriolen bildas av 9 huvudmikrotubuli, var och en med två partiella mikrotubuli fästa vid den. Varje centriole är cirka 400 nm lång och cirka 200 nm i omkrets.
Centrosomen är kritisk för mitos eftersom de flesta mikrotubuli som är involverade i processen kommer från centrosomen. Minusändarna på varje mikrotubuli börjar vid centrosomen, medan plusändarna strålar ut i alla riktningar. Således är centrosomen också viktig för att upprätthålla polariteten hos mikrotubuli under mitos.
De flesta celler har bara en centrosom under större delen av sin cellcykel, men strax före mitos centrosom duplicerar och cellen innehåller två centrosomer. Några av mikrotubuli som utstrålar från centrosomen växer direkt bort från systercentrosomen. Dessa mikrotubuli kallas astrala mikrotubuli. Med hjälp av dessa astrala mikrotubuli rör sig centrosomerna bort från varandra mot motsatta sidor av cellen. Väl där kan andra typer av mikrotubuli som är nödvändiga för mitos, inklusive interpolära mikrotubuli och K-fibrer börja bildas.
En sista viktig anmärkning om centrosomerna och mikrotubuli under mitos är att medan centrosomen är MTOC för de mikrotubuli som är nödvändiga för mitos, har forskning visat att när mikrotubuli själva bildas och på rätt ställe behövs själva centrosomerna inte för mitos att inträffa.
Mikrotubuli -underklasser
Astrala mikrotubuli är en underklass av mikrotubuli som endast existerar under och runt mitos. De härrör från centrosomen, men interagerar inte med kromosomerna, kinetokorerna eller med mikrotubuli som härrör från den andra centrosomen. Istället strålar deras mikrotubuli mot cellmembranet. Väl där interagerar de med specifika motorproteiner som skapar kraft som drar mikrotubuli, och därmed hela centrosomen mot cellmembranet. Som nämnts ovan hjälper detta centrosomerna att orientera sig bort från varandra i cellen. Men dessa astrala mikrotubuli interagerar inte med själva mitotiska spindeln. Experiment har visat att utan dessa astrala mikrotubuli kan den mitotiska spindeln bildas, men dess orientering i cellen är inte alltid korrekt och mitos sker därför inte lika effektivt. En annan nyckelfunktion hos astrala mikrotubuli är att hjälpa till med cytokinesis. Astrala mikrotubuli interagerar med motorproteiner vid cellmembranet för att dra isär spindeln och hela cellen när kromosomerna har replikerats.
Interpolära/polära mikrotubuli är en klass av mikrotubuli som också strålar ut från centrosomen under mitos. Dessa mikrotubuli strålar mot den mitotiska spindeln, till skillnad från astrala mikrotubuli. Interpolära mikrotubuli är både den mest förekommande och dynamiska underklassen av mikrotubuli under mitos. Omkring 95 procent av mikrotubuli i den mitotiska spindeln kan karakteriseras som interpolär. Halveringstiden för dessa mikrotubuli är dessutom extremt kort eftersom den är mindre än en minut. Interpolära mikrotubuli som inte fäster vid kinetokorerna kan hjälpa till i kromosomförsamlingen genom lateral interaktion med kinetokorerna.
K -fibrer/Kinetochore -mikrotubuli är den tredje viktiga underklassen av mitotiska mikrotubuli. Dessa mikrotubuli bildar direkta förbindelser med kinetokorerna i den mitotiska spindeln. Varje K -fiber består av 20–40 parallella mikrotubuli som bildar ett starkt rör som fästs i ena änden till centrosomen och på den andra till kinetokoren, som ligger i mitten av varje kromosom. Eftersom varje centrosom har en K -fiber som ansluter till varje kromosompar, blir kromosomerna bundna i mitten av den mitotiska spindeln av K -fibrerna. K -fibrer har en mycket längre halveringstid än interpolära mikrotubuli, mellan 4 och 8 minuter. Under slutet av mitoserna börjar mikrotubuli som bildar varje K -fiber disassocieras, vilket gör att K -fibrerna kortas. När K -fibrerna förkortas dras parets kromosomer isär precis innan cytokines. Tidigare trodde vissa forskare att K -fibrer bildas vid deras minusände som härrör från centrosomen precis som andra mikrotubuli, men ny forskning har pekat på en annan mekanism. I denna nya mekanism stabiliseras K -fibrerna initialt vid sin plusände av kinetokorerna och växer ut därifrån. Minusänden på dessa K -fibrer ansluter så småningom till en befintlig interpolär mikrotubuli och är så småningom anslutna till centrosomen på detta sätt.
Mikrotubuli -kärna i den mitotiska spindeln
De flesta mikrotubuli som bildar den mitotiska spindeln kommer från centrosomen. Ursprungligen trodde man att alla dessa mikrotubuli härstammar från centrosomen via en metod som kallas sökning och fångst, beskrivs mer i detalj i ett avsnitt ovan, men ny forskning har visat att det finns ytterligare medel för mikrotubuli -kärnbildning under mitos. Ett av de viktigaste av dessa ytterligare medel för mikrotubuli-kärnbildning är RAN-GTP-vägen. RAN-GTP associerar med kromatin under mitos för att skapa en gradient som möjliggör lokal kärnbildning av mikrotubuli nära kromosomerna. Vidare fungerar en andra väg som kallas augmin/HAUS -komplexet (vissa organismer använder det mer studerade augmin -komplexet, medan andra som människor använder ett analogt komplex som kallas HAUS) fungerar som ett ytterligare medel för mikrotubuli -kärnbildning i den mitotiska spindeln.
Funktioner
Cellmigration
Mikrotubuli plus ändar är ofta lokaliserade till särskilda strukturer. I polariserade interfasceller är mikrotubuli oproportionerligt orienterade från MTOC mot polaritetsstället, såsom framkanten av migrerande fibroblaster . Denna konfiguration antas hjälpa till att leverera mikrotubuli-bundna vesiklar från Golgi till platsen för polaritet.
Dynamisk instabilitet hos mikrotubuli krävs också för migrering av de flesta däggdjursceller som kryper. Dynamiska mikrotubuli reglerar nivåerna av viktiga G-proteiner som RhoA och Rac1 , som reglerar cellkontraktilitet och cellspridning. Dynamiska mikrotubuli krävs också för att utlösa fokal vidhäftning demontering, vilket är nödvändigt för migration. Det har visat sig att mikrotubuli fungerar som ”struts” som motverkar de kontraktila krafter som behövs för att dra bakkant under cellrörelser. När mikrotubuli i cellens bakkant är dynamiska kan de ombyggas för att tillåta indragning. När dynamiken undertrycks kan mikrotubuli inte bygga om och därför motsätta sig de kontraktila krafterna. Morfologin hos celler med undertryckt mikrotubuli -dynamik indikerar att celler kan förlänga framkanten (polariserad i rörelseriktningen), men har svårt att dra tillbaka sin bakkant. Å andra sidan kan höga läkemedelskoncentrationer, eller mikrotubuli -mutationer som depolymeriserar mikrotubuli, återställa cellmigration men det förlorar riktning. Man kan dra slutsatsen att mikrotubuli verkar både för att begränsa cellrörelsen och för att fastställa riktning
Cilia och flagella
Mikrotubuli har en stor strukturell roll vid eukaryota cilia och flagella . Cilia och flagella sträcker sig alltid direkt från en MTOC, i detta fall kallad baskroppen. Dyneinmotorproteinernas verkan på de olika mikrotubuli -strängarna som löper längs en cilium eller flagellum gör att organellen kan böja och generera kraft för simning, rörelse av extracellulärt material och andra roller. Prokaryoter har tubulinliknande proteiner inklusive FtsZ. Emellertid har prokaryota flageller en helt annan struktur än eukaryota flageller och innehåller inte mikrotubuli-baserade strukturer.
Utveckling
Cytoskeletet som bildas av mikrotubuli är avgörande för den morfogenetiska processen för en organisms utveckling . Till exempel krävs ett nätverk av polariserade mikrotubuli inom äggcellen hos Drosophila melanogaster under dess embryogenes för att fastställa äggets axel. Signaler som skickas mellan follikelcellerna och äggcellen (såsom faktorer som liknar epidermal tillväxtfaktor ) orsakar omorganiseringen av mikrotubuli så att deras (-) ändar är belägna i den nedre delen av äggcellen, polariserar strukturen och leder till utseendet av en främre-bakre axel. Detta engagemang i kroppens arkitektur ses också hos däggdjur .
Ett annat område där mikrotubuli är väsentliga är utvecklingen av nervsystemet hos högre ryggradsdjur , där tubulins dynamik och de associerade proteinerna (såsom de mikrotubuli-associerade proteinerna) är fint kontrollerad under nervsystemets utveckling .
Genreglering
Det cellulära cytoskeletet är ett dynamiskt system som fungerar på många olika nivåer: Förutom att ge cellen en särskild form och stödja transporten av vesiklar och organeller kan den också påverka genuttryck . De signalöverföringsmekanismer som är involverade i detta meddelande är lite förstås. Emellertid har förhållandet mellan den läkemedelsförmedlade depolymeriseringen av mikrotubuli och det specifika uttrycket av transkriptionsfaktorer beskrivits, vilket har gett information om differentialuttrycket av generna beroende på närvaron av dessa faktorer. Denna kommunikation mellan cytoskeletet och regleringen av det cellulära svaret är också relaterat till tillväxtfaktors verkan : till exempel existerar detta förhållande för bindvävstillväxtfaktor .
Se även
- Mikrotentakel
- Orkestrerad objektiv reduktion - en hypotes som förklarar medvetandet