마이크로필라멘트

Microfilament
플루오레스체인 이소티오시아네이트-팔로이딘으로 얼룩진 쥐의 시토스켈레톤

액틴 필라멘트라고도 불리는 미세필름은 세포핵세포의 세포질에 있는 단백질 필라멘트로서 세포핵골격의 일부를 형성한다. 그것들은 주로 액틴의 중합체로 구성되지만, 세포에 있는 수많은 다른 단백질들에 의해 변형되고 상호작용한다. 마이크로필름은 보통 지름이 약 7nm이며 액틴 두 가닥으로 이루어져 있다. 마이크로필라멘트 기능으로는 사이토카인시스, 아메보이드 운동, 세포운동성, 세포형태의 변화, 내포와 외포, 세포 수축성, 기계적 안정성이 있다. 마이크로필름은 유연하고 비교적 강하며 멀티피콘위턴 압축력에 의한 좌굴과 나노원위턴 인장력에 의한 필라멘트 파괴에 저항한다. 세포 운동성을 유도할 때 액틴 필라멘트의 한쪽 끝은 길어지고 다른 쪽 끝은 미오신 2 분자 모터에 의해 수축된다.[1] 또한, 그것들은 액토모신 구동 수축형 분자 모터의 일부로서 기능하며, 얇은 필라멘트는 근육 수축과 유사성 진전에 있어 미오신의 ATP 의존적인 당김 작용을 위한 인장 플랫폼 역할을 한다. 마이크로필름은 세포의 움직임을 돕는 강하고 유연한 구조를 가지고 있다.[2]

역사

액틴과 마이크로필라멘트 조정 과정은 오랫동안 연구 대상이었다. 미국과 독일의 식물학자 조지 엥겔만(1879)은 세포질 스트리밍과 아메보이드 운동과 같은 식물과 원생대에서 관찰되는 많은 종류의 운동이 사실 근육수축의 움직임을 원시적으로 보여주는 것이라고 제안했다.

1930년대에 스젠트-요르지이(Szent-Gyögieri)와 협력자들은 생화학의 카논 중 하나를 위반하면서 "추출물 대신 잔여물, 즉 효소가 아닌 구조 단백질들을 연구하기 시작했으며, 이로 인해 마이크로필름과 관련된 많은 발견이 이루어졌다.[3]

조직

액틴 필라멘트는 두 가지 일반적인 형태의 구조로 조립된다: 묶음과 네트워크. 묶음은 모든 가시 끝이 묶음의 같은 끝을 가리키는 극성 필라멘트 배열 또는 가시 끝이 양쪽 끝을 가리키는 비극성 배열로 구성될 수 있다. 교차 연결 단백질이라고 불리는 작용 결합 단백질의 종류는 이러한 구조의 형성을 지시한다. 교차 링크 단백질은 다발과 네트워크의 필라멘트 방향과 간격을 결정한다. 이 구조들은 운동 단백질, 가지를 치는 단백질, 절단 단백질, 중합 촉진제, 그리고 덮는 단백질을 포함한 많은 다른 종류의 액틴 결합 단백질에 의해 조절된다.

시험관내 자가 조립

직경 약 6nm로 측정되는 마이크로필라멘트는 세포골격의 가장 얇은 섬유다.[4] 그것들은 섬유질의 일부로서 필라멘트 액틴 또는 F 액틴으로 언급되는 액틴 서브유닛(광택 액틴 또는 G-액틴)의 폴리머다. 각각의 마이크로필라멘트는 나선형의 교차된 두 개의 서브유닛 가닥으로 이루어져 있다. 미세관처럼 액틴 필라멘트는 양극화된다. 전자 마이크로그래프는 빠르게 성장하는 철조망과 느리게 성장하는 뾰족한 끝의 증거를 제공했다. 이 극성은 myosin S1 조각의 결합에 의해 생성된 패턴에 의해 결정되었다: 그것들 자체는 더 큰 myosin II 단백질 복합체의 하위 단위가 된다. 뾰족한 끝은 일반적으로 마이너스(-) 끝, 가시 끝은 플러스(+) 끝이라고 한다.

체외 액틴 중합, 즉 핵은 세 개의 G 액틴 모노머가 자체 연관되어 트리머를 형성하는 것으로 시작한다. 그러면 ATP로 묶인 액틴 자체가 철조망을 묶고, 이후 ATP는 가수 분해된다. ATP 가수 분해는 약 2초의 반 시간으로 발생하는 [5]반면 무기인산염의 분해 시간은 약 6분이다.[5] 이 자동 분석 이벤트는 인접 서브유닛 사이의 결합 강도를 감소시키며, 따라서 일반적으로 필라멘트를 불안정하게 한다. 생체내 액틴 중합은 액토클램핀으로 알려진 필라멘트 종단 추적 분자 모터의 종류에 의해 촉매화된다. 최근의 증거는 ATP 가수분해율과 단량체 결합률이 강하게 결합되어 있음을 시사한다.

그 후에, ADP-actin은 뾰족한 끝에서 천천히 분리되는데, 액틴 결합 단백질인 코필린에 의해 현저하게 가속되는 과정이다. ADP 바운드 코필린은 (-ends)에서 가장 가까운 ADP가 풍부한 지역을 통과한다. 방출 즉시, 자유 액틴 단량체는 천천히 ADP와 분리되며, 이는 다시 사이토솔에서 확산되는 자유 ATP에 급속하게 결합되어 더 많은 철조망 필라멘트 연장에 필요한 ATP-액틴 단량 단위를 형성한다. 이 빠른 회전은 세포의 움직임에 중요하다. CapZ와 같은 엔드케이핑 단백질은 근육 기구와 같이 액틴 회전율이 불리한 필라멘트 끝에서 모노머의 추가 또는 손실을 방지한다.

최근 단백질 캡팅 단백질과 함께 액틴 중합이 단백질 필라멘트의 3차원 성장을 제어하여 기술과 전기적 상호 연결에 유용한 3D 토폴로지를 수행하는데 사용되었다. 전기전도도는 단백질 3D 구조의 야금화에 의해 얻어진다.[6][7]

힘 생성 메커니즘

ATP 가수 분해의 결과, 필라멘트는 뾰족한 끝보다 철조망 끝에서 약 10배 더 빨리 길어진다. 안정상태에서는 철조망 끝의 중합률이 뾰족한 끝의 중합률과 일치하고, 미세필름은 트레드밀링을 하고 있다고 한다. 트레드밀링으로 인해 철조망 끝은 길어지고 뾰족한 끝은 짧아져 필라멘트가 총체적으로 움직이게 된다. 두 공정이 모두 에너지적으로 유리하기 때문에, 이것은 힘이 발생한다는 것을 의미하며, 에너지는 궁극적으로 ATP로부터 나온다.[1]

세포 내 액틴

세포내 액틴 세포골격계 조립 및 분해는 세포 신호 메커니즘에 의해 엄격하게 규제된다. 많은 신호 전달 시스템은 액틴 시토스켈레톤을 말초막의 안쪽 면이나 근처에 고정시켜 비계로 사용한다. 이 아세포 위치는 투과된 수용체 작용과 그에 따른 신호 처리 효소의 계단식 반응에 즉각적인 반응을 가능하게 한다.

액틴 모노머는 화학축 동안 액틴 기반 운동성의 높은 비율을 유지하기 위해 재활용되어야 하기 때문에, 셀 신호 전달은 필라멘트의 뾰족한 끝에서 가장 가까운 ADP가 풍부한 액틴 서브유닛에 결합하고 필라멘트 조각화를 촉진하는 액틴-필름 제거 단백질인 코필린을 활성화하고 순서에 따라 결합하는 것을 의미한다. 단조로운 사람들을 해방시키기 위해서요 대부분의 동물 세포에서 모노메릭 액틴은 프로필린과 티모신 베타-4에 속하는데, 이 두 가지 모두 ATP 함유 모노머에 대한 일대일 스토이치측정법으로 우선 결합한다. 티모신 베타-4는 엄밀히 말하면 모노머 시퀘스터 단백질이지만, 프로필린의 행동은 훨씬 더 복잡하다. Profilin은 ATP와 ADP를 산출하기 위한 솔루션 단계 ATP를 위한 액틴 결합 ADP의 교환을 자극하여 모노머의 조립 능력을 향상시킨다. Profilin은 PIP2 결합 사이트로 인해 선행 에지로 이전되며, 폴리-L-프로라인 결합 사이트를 활용하여 엔드 추적 단백질에 도킹한다. 일단 바인딩되면, 프로필린 액틴-ATP는 액토클램핀 모터의 모노머-삽입 부위로 로드된다.

필라멘트 형성의 또 다른 중요한 요소는 Arp2/3 복합체로서, 이미 존재하는 필라멘트(또는 "모 필라멘트")의 측면에 결합되어 있으며, 여기서 모 필라멘트에 상대적인 70도 각도로 새로운 딸 필라멘트의 형성을 핵화하여 팬과 같은 분기형 필라멘트 네트워크를 형성한다.[8]

플라스마 막과 인접한 특수한 액틴 세포골격 구조가 발견된다. 주목할 만한 네 가지 예로는 적혈구, 인간 배아 신장 세포, 뉴런, 정자 세포가 있다. 적혈구에서는 분광 액틴 육각 격자가 서로 연결된 짧은 액틴 필라멘트로 형성된다.[9] 인간의 배아 신장 세포에서 피질 액틴은 비늘이 없는 프랙탈 구조를 형성한다.[10] 뉴런 액손에서 처음 발견된 액틴은 분광과 애두신에[11][12] 의해 안정되는 주기적인 고리를 형성하며, 2016년 헤 외 에 의해 이 고리 구조가 세노하브디티, 드로필라, 갈루스 갈루스, 무스 무스쿨루스를 포함한 외관상 모든 동물 세포를 가로질러 거의 모든 뉴런 타입과 활엽세포에서 발생한다는 것을 발견했다.[13] 그리고 포유류 정자에서는 액틴이 중간 부분, 즉 편평체의 첫 번째 부분인 나선 구조를 형성한다.[14]

연관단백질

비근육 세포에서는 액틴 필라멘트가 멤브레인 표면에 근접한 형태로 형성된다. 이들의 형성 및 이직은 다음을 포함한 많은 단백질에 의해 조절된다.

  • 필라멘트 종단 추적 단백질(예: 폼인, VASP, N-WASP)
  • 액틴 관련 단백질-2/3(또는 Arp2/3) 복합체로 알려진 필라멘트 핵분열기
  • 필라멘트 크로스 링크(예: α-actinin, 파신 및 핌브린)
  • 액틴 단량체 결합 단백질 프로필린 및 티모신 β4
  • Capping 단백질, CapG 등 필라멘트 철조망 캐퍼
  • 겔솔린과 같은 필라멘트 검열 단백질.
  • 액틴은 ADF/코필린과 같은 단백질을 분해한다.

비근육 세포의 액틴 필라멘트 네트워크는 매우 역동적이다. 액틴 필라멘트 네트워크는 클램프-필라멘트 신장 모터를 통해 셀 주변막에 부착된 각 필라멘트의 철조망으로 배열되며, 위에서 언급한 "액토클램프"는 필라멘트 철조망과 클램프 단백질(포민, VASP, 메나, WASP, N-WASP)으로 형성된다.[15] 이러한 신장 모터의 일차 기질은 장방형 필라멘트 단부로 직접 전달되는 복선-액틴-ATP 복합체다.[16] 각 필라멘트의 뾰족한 끝은 셀의 내부를 향한다. 다층성장의 경우, Arp2/3 복합체는 분기된 네트워크를 생성하며, 필로포디아에서는 병렬적인 필라멘트의 배열이 형성된다.

액틴은 미오신 운동성의 트랙 역할을 한다.

미오신 모터는 세포내 ATP 의존 효소로 액틴 필라멘트와 결합하여 움직인다. 다양한 등급의 미오신 모터는 셀에 장력을 가하고 화물 배변기를 운반하는 등 동작이 매우 다르다.

제안 모델 – Actoclampins 트랙 필라멘트 끝단

한 제안 모델은 "actoclampin"[17]이라고 불리는 액틴 필라멘트 철조망-추적 분자 모터의 존재를 제안한다. 제안된 액토클램핀은 내포증, 외포증, 포도솜 형성, 갑상선성형성, 갑상선성증에서 라멜리포디아, 인바디포디아, 덴드리토디아, 세포내막판막 및 운동과정의 액틴 기반 운동성에 필요한 추진력을 생성한다. 액토클램핀 모터는 또한 리스테리아 모노키토제네제스, 시겔라 플렉스네리, 파피니아, 리케티아와 같은 세포내 병원체를 추진시킨다. 적절한 조건에서 조립할 때 이러한 최종 추적 분자 모터는 생체모방 입자를 촉진할 수도 있다.

액토클램핀이라는 용어는 액토모신에서와 같이 액틴 필라멘트의 관여를 나타내기 위해 유래되었으며, 클램프는 유연하고 움직이는 물체를 강화하고 둘 이상의 구성 요소를 안전하게 고정하기 위해 사용되는 고정 장치를 나타내기 위해 사용되었고, 그 다음 접미사 -in은 단백질 기원을 나타내기 위해 사용된다. 따라서 액틴 필라멘트 종단 추적 단백질은 클램핀이라고 불릴 수 있다.

디킨슨과 푸리치는 즉각적인 ATP 가수분해가 액틴 기반 운동 동안에 달성한 힘을 설명할 수 있다는 것을 인식했다.[15] 그들은 엔드 추적 단백질이 이중 가닥 액틴 필라멘트의 한 하위 필름의 끝에 단단히 결합("잠금" 또는 클램프)된 상태로 유지되는 잠금, 부하 및 화재 모델이라고 알려진 간단한 기계 내효성 시퀀스를 제안했다. After binding to Glycyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-registers on tracker proteins, Profilin-ATP-actin is delivered ("loaded") to the unclamped end of the other sub-filament, whereupon ATP within the already clamped terminal subunit of the other subfragment is hydrolyzed ("fired"), providing the energy needed to release that arm of the end-t그러면 다른 Profilin-ATP-actin을 바인딩하여 새로운 모노머 추가 라운드를 시작할 수 있는 랙터.

관련 단계

다음 단계에서는 액토클램핀 분자 모터의 한 가지 힘 생성 사이클을 설명한다.

  1. 폴리머화 공효소 프로필린과 ATP·액틴이 결합하여 프로필린-ATP 액틴 콤플렉스를 형성하여 엔드 트랙킹 유닛에 결합한다.
  2. 공동 인자 및 모노머는 이미 클램핑된 필라멘트의 철조망으로 이동한다.
  3. 추적 장치와 공동 계수는 인접한 양성자와 분리되며, ATP 가수분해 에너지로 인해 공계 및/또는 필라멘트의 추적 장치의 친화력을 조절할 수 있는 단계로, 그리고 이 기계적 내구성 주기는 다른 하위 계통 성장 현장에서 시작하여 반복된다.

ATP 가수 분해의 이점을 이용하여 작동할 때, AC 모터는 8–9 pN의 필터당 힘을 발생시키며, 이는 ATP 가수 분해 없이 작동하는 모터의 필터당 제한치인 1–2 pN보다 훨씬 크다.[15][17][18] 액토클램핀이라는 용어는 일반적이며, ATP 작동 메커니즘에 의해 능동적으로 구동되는지 수동적으로 구동되는지 여부에 관계없이 모든 액틴 필라멘트 엔드 트랙킹 분자 모터에 적용된다.

일부 액토클램핀(예: Ena/VASP 단백질, WASP, N-WASP)은 공정 운동성이 시작되기 전에 엔드 트랙터에 "로드"되는 액틴 중합 핵을 형성하기 위해 Arp2/3 매개 필라멘트 개시를 요구하는 것으로 보인다. 새로운 필라멘트를 생성하기 위해 Arp2/3에는 "mother" 필라멘트, 단조로운 ATP-actin 및 리스테리아 ActA 또는 N-WASP의 VCA 영역의 활성화 도메인이 필요하다. Arp2/3 콤플렉스는 어미 필라멘트의 측면에 결합되어, 어미 필라멘트의 세로 축에 관해서 70도 각도의 Y자 모양의 가지를 형성한다. 그 후 ActA나 VCA에 의해 활성화되면, Arp 콤플렉스는 새로운 필라멘트 게이트를 만들기에 충분한 두 액틴 관련 단백질 서브유닛을 서로 가까이 가져와서 주요한 순응적 변화를 겪는 것으로 여겨진다. 원자핵 및/또는 Y-지점 방출에 ATP 가수분해가 필요한지 여부는 능동적인 조사 대상이다.

참조

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