Aktin - Actin

Aktin
Actin mit ADP hervorgehoben.png
Banddiagramm von G-Aktin. ADP , das an das aktive Zentrum von Aktin gebunden ist (mehrfarbige Stifte in der Nähe der Mitte der Abbildung) sowie ein komplexiertes Calciumdikation (grüne Kugel) sind hervorgehoben.
Bezeichner
Symbol Aktin
Pfam PF00022
InterPro IPR004000
PROSITE PDOC00340
SCOP2 2btf / Scope / SUPFAM

Aktin ist eine Familie von kugelförmigen multifunktionalen Proteinen , die Mikrofilamente im Zytoskelett und die dünnen Filamente in Muskelfibrillen bilden . Es findet sich in praktisch allen eukaryontischen Zellen , wo es in einer Konzentration von über 100 µM vorhanden sein kann ; seine Masse beträgt etwa 42 kDa und hat einen Durchmesser von 4 bis 7 nm.

Ein Aktinprotein ist die monomere Untereinheit von zwei Arten von Filamenten in Zellen: Mikrofilamente , eine der drei Hauptkomponenten des Zytoskeletts, und dünne Filamente, die Teil des kontraktilen Apparats in Muskelzellen sind. Es kann entweder als freies Monomer namens G-Aktin (kugelförmig) oder als Teil eines linearen Polymermikrofilaments namens F-Aktin (filamentös) vorliegen , die beide für so wichtige Zellfunktionen wie die Mobilität und Kontraktion von Zellen während des Zellteilung .

Aktin ist an vielen wichtigen zellulären Prozessen beteiligt, einschließlich Muskelkontraktion , Zellmotilität , Zellteilung und Zytokinese , Vesikel- und Organellenbewegung , Zellsignalisierung und der Etablierung und Aufrechterhaltung von Zellverbindungen und Zellform. Viele dieser Prozesse werden durch ausgedehnte und enge Interaktionen von Aktin mit Zellmembranen vermittelt . Bei Wirbeltieren wurden drei Hauptgruppen von Aktin- Isoformen , Alpha , Beta und Gamma , identifiziert. Die im Muskelgewebe vorkommenden Alpha-Aktine sind ein Hauptbestandteil des kontraktilen Apparats. Die Beta - und Gamma - Aktine koexistieren in den meisten Zelltypen als Komponenten des Zytoskeletts und als Mediatoren der inneren Zellmotilität . Es wird angenommen, dass die Vielfalt der von Aktin gebildeten Strukturen, die es ermöglichen, eine so große Bandbreite an Funktionen zu erfüllen, durch die Bindung von Tropomyosin entlang der Filamente reguliert wird.

Eine Zelle , in der Lage ist , dynamisch Form Mikrofilamente liefert das Gerüst , das es schnell remodellieren sich in Reaktion auf die Umgebung oder an den Organismus des internen ermöglicht Signale , beispielsweise Zellmembran Absorption oder Zunahme zu erhöhen , die Zelladhäsion zu bilden , um Zellgewebe . An diesem Gerüst können andere Enzyme oder Organellen wie Flimmerhärchen verankert werden, um die Verformung der äußeren Zellmembran zu kontrollieren , die Endozytose und Zytokinese ermöglicht . Es kann auch selbst oder mit Hilfe von molekularen Motoren Bewegung erzeugen . Aktin trägt somit zu Prozessen wie dem intrazellulären Transport von Vesikel und Organellen sowie zur Muskelkontraktion und Zellmigration bei . Es spielt daher eine wichtige Rolle bei der Embryogenese , der Wundheilung und der Invasivität von Krebszellen . Der evolutionäre Ursprung von Aktin kann auf prokaryontische Zellen zurückgeführt werden , die über äquivalente Proteine ​​verfügen. Aktinhomologe aus Prokaryoten und Archaeen polymerisieren zu unterschiedlichen helikalen oder linearen Filamenten, die aus einem oder mehreren Strängen bestehen. Die In-Strang-Kontakte und Nukleotid-Bindungsstellen bleiben jedoch in Prokaryonten und Archaeen erhalten. Schließlich spielt Aktin eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Genexpression .

Eine Vielzahl von Krankheiten und Erkrankungen werden durch Mutationen in Allelen der Gene verursacht , die die Produktion von Aktin oder der damit verbundenen Proteine ​​regulieren. Die Produktion von Aktin ist auch der Schlüssel zum Infektionsprozess durch einige pathogene Mikroorganismen . Mutationen in den verschiedenen Genen, die die Aktinproduktion beim Menschen regulieren, können Muskelerkrankungen , Größen- und Funktionsschwankungen des Herzens sowie Taubheit verursachen . Die Zusammensetzung des Zytoskeletts hängt auch mit der Pathogenität intrazellulärer Bakterien und Viren zusammen , insbesondere bei den Prozessen, die mit der Umgehung der Aktionen des Immunsystems zusammenhängen .

Entdeckung und frühe Untersuchung

Nobelpreis gewinnen Physiologe Albert von Szent-Györgyi , Co-Entdecker von Aktin mit Brúnó Straub

Actin wurde zum ersten Mal beobachtet experimentell 1887 von WD Halliburton , die ein Protein aus Muskel extrahierten , dass ‚geronnenen‘ Zubereitungen von Myosin , dass er „Myosin-Ferment“ genannt. Halliburton konnte seine Ergebnisse jedoch nicht weiter verfeinern, und die Entdeckung von Aktin wird stattdessen Brunó Ferenc Straub zugeschrieben , einem jungen Biochemiker , der im Labor von Albert Szent-Györgyi am Institut für Medizinische Chemie der Universität Szeged , Ungarn, arbeitet .

Im Anschluss an die Entdeckung von Ilona Banga & Szent-Györgyi im Jahr 1941, dass die Gerinnung nur bei einigen Mysosinextraktionen auftritt und bei Zugabe von ATP rückgängig gemacht wird, identifizierte und reinigte Straub Aktin aus diesen Myosinpräparaten, die koagulierten. Aufbauend auf Bangas ursprünglicher Extraktionsmethode entwickelte er eine neuartige Technik zur Extraktion von Muskelprotein, die es ihm ermöglichte, erhebliche Mengen relativ reinen Aktins zu isolieren , die 1942 veröffentlicht wurde. Straubs Methode ist im Wesentlichen die gleiche, die heute in Labors verwendet wird. Da das Straub-Protein notwendig war, um die Gerinnung von Myosin zu aktivieren, wurde es Aktin genannt . Als Szent-Györgyi erkannte, dass auch die Gerinnungs-Myosin-Präparate von Banga Aktin enthielten, nannte er die Mischung beider Proteine Aktomyosin .

Die Feindseligkeiten des Zweiten Weltkriegs führten dazu, dass Szent-Györgyi die Arbeit seines Labors nicht in westlichen wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlichen konnte . Actin wurde daher im Westen erst 1945 bekannt, als ihr Aufsatz als Beilage zur Acta Physiologica Scandinavica veröffentlicht wurde . Straub weiter auf Aktin zu arbeiten, und im Jahr 1950 berichtet , dass Aktin enthält gebundenes ATP , und daß, während der Polymerisation des Proteins in Mikrofilamente , die Nukleotid wird hydrolysiert zu ADP und anorganischem Phosphat (das dem Mikrofilament gebunden bleiben). Straub vermutete, dass die Umwandlung von ATP-gebundenem Aktin in ADP-gebundenes Aktin eine Rolle bei der Muskelkontraktion spielt. Tatsächlich trifft dies nur auf die glatte Muskulatur zu und wurde bis 2001 nicht durch Experimente gestützt.

Die Aminosäuresequenzierung von Aktin wurde 1973 von M. Elzinga und Mitarbeitern abgeschlossen. Die Kristallstruktur von G-Aktin wurde 1990 von Kabsch und Mitarbeitern aufgeklärt. Im selben Jahr wurde von Holmes und Kollegen ein Modell für F-Aktin vorgeschlagen, nachdem Experimente mit Co-Kristallisation mit verschiedenen Proteinen durchgeführt wurden. Das Verfahren der Cokristallisation mit verschiedenen Proteinen wurde in den Folgejahren immer wieder angewendet, bis 2001 das isolierte Protein zusammen mit ADP kristallisiert wurde. Es gibt jedoch noch keine hochauflösende Röntgenstruktur von F-Aktin. Die Kristallisation von F-Actin war aufgrund der Verwendung eines Rhodamin- Konjugats möglich, das die Polymerisation durch Blockieren der Aminosäure cys-374 verhindert . Christine Oriol-Audit starb im selben Jahr, in dem Aktin zum ersten Mal kristallisiert wurde, aber sie war die Forscherin, die 1977 zum ersten Mal Aktin in Abwesenheit von Aktin-bindenden Proteinen (ABPs) kristallisierte. Die resultierenden Kristalle waren jedoch für die damals verfügbare Technologie zu klein.

Obwohl derzeit kein hochauflösendes Modell der filamentösen Form von Aktin existiert, konnte Sawayas Team 2008 ein genaueres Modell seiner Struktur basierend auf mehreren Kristallen von Aktin- Dimeren erstellen , die an verschiedenen Stellen binden. Dieses Modell wurde später von Sawaya und Lorenz weiter verfeinert. Andere Ansätze wie die Verwendung von Kryo-Elektronenmikroskopie und Synchrotronstrahlung haben in letzter Zeit eine höhere Auflösung und ein besseres Verständnis der Natur der Wechselwirkungen und Konformationsänderungen ermöglicht, die an der Bildung von Aktinfilamenten beteiligt sind.

Struktur

Die Aminosäuresequenz von Actin ist eines der am höchsten konservierten Proteine, da sie sich im Laufe der Evolution kaum verändert hat und sich bei so unterschiedlichen Arten wie Algen und Menschen nur um nicht mehr als 20 % unterscheidet . Es gilt daher als optimierter Aufbau . Es hat zwei Unterscheidungsmerkmale: Es ist ein Enzym , das langsam ATP hydrolysiert , die "universelle Energiewährung" biologischer Prozesse. Das ATP ist jedoch erforderlich, um seine strukturelle Integrität zu erhalten. Seine effiziente Struktur entsteht durch einen fast einzigartigen Faltprozess . Darüber hinaus ist es in der Lage, mehr Interaktionen durchzuführen als jedes andere Protein, wodurch es auf fast allen Ebenen des zellulären Lebens eine größere Vielfalt an Funktionen als andere Proteine ​​​​ausüben kann. Myosin ist ein Beispiel für ein Protein, das an Aktin bindet. Ein weiteres Beispiel ist Villin , das je nach Konzentration der Calciumkationen im umgebenden Medium Aktin zu Bündeln verweben oder die Filamente zerschneiden kann .

Aktin ist eines der am häufigsten vorkommenden Proteine ​​in Eukaryoten , wo es im gesamten Zytoplasma vorkommt. Tatsächlich macht es in Muskelfasern 20 % des gesamten zellulären Proteins nach Gewicht aus und zwischen 1 und 5 % in anderen Zellen. Es gibt jedoch nicht nur eine Art von Aktin; die für Aktin kodierenden Gene werden als Genfamilie definiert (eine Familie, die in Pflanzen mehr als 60 Elemente enthält, einschließlich Gene und Pseudogene, und beim Menschen mehr als 30 Elemente). Dies bedeutet, dass die genetische Information jedes Individuums Anweisungen enthält, die Aktinvarianten (sogenannte Isoformen ) erzeugen , die leicht unterschiedliche Funktionen besitzen. Dies wiederum bedeutet, dass eukaryontische Organismen verschiedene Gene exprimieren , die zu Folgendem führen: α-Aktin, das in kontraktilen Strukturen vorkommt; β-Aktin, gefunden am expandierenden Rand von Zellen, die die Projektion ihrer Zellstrukturen als Fortbewegungsmittel nutzen; und γ-Aktin, das in den Filamenten von Stressfasern vorkommt . Zusätzlich zu den Ähnlichkeiten, die zwischen den Isoformen eines Organismus bestehen, gibt es auch zwischen Organismen, die in verschiedenen eukaryontischen Domänen enthalten sind, eine evolutionäre Konservierung in der Struktur und Funktion . In Bakterien wurde das Aktinhomologe MreB identifiziert, ein Protein, das zu Mikrofilamenten polymerisieren kann; und in Archaeen ist das Homolog Ta0583 den eukaryotischen Aktinen noch ähnlicher.

Zelluläres Aktin hat zwei Formen: monomere Kügelchen, die als G-Aktin bezeichnet werden, und polymere Filamente, die als F-Aktin bezeichnet werden (d. h. als Filamente, die aus vielen G-Aktin-Monomeren bestehen). F-Aktin kann auch als Mikrofilament beschrieben werden. Zwei parallele F-Aktin-Stränge müssen sich um 166 Grad drehen, um korrekt übereinander zu liegen. Dadurch entsteht die Doppelhelix-Struktur der Mikrofilamente im Zytoskelett. Mikrofilamente haben einen Durchmesser von ungefähr 7 nm, wobei sich die Helix alle 37 nm wiederholt. Jedes Aktinmolekül ist an ein Molekül Adenosintriphosphat (ATP) oder Adenosindiphosphat (ADP) gebunden, das mit einem Mg 2+ -Kation assoziiert ist . Die im Vergleich zu allen möglichen Kombinationen am häufigsten vorkommenden Aktinformen sind ATP-G-Aktin und ADP-F-Aktin.

G-Aktin

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass G-Aktin eine globuläre Struktur hat; Jedoch Röntgenkristallographie zeigt , dass jedes dieser Kügelchen besteht aus zwei durch einen Spalt getrennte Lappen. Diese Struktur stellt die „ATPase-Falte“ dar, ein Zentrum der enzymatischen Katalyse , das ATP und Mg 2+ bindet und ersteres zu ADP plus Phosphat hydrolysiert . Diese Falte ist ein konserviertes Strukturmotiv , das auch in anderen Proteinen , die mit dem Interact - Triphosphat gefunden wird Nukleotiden wie Hexokinase (ein Enzym verwendet , in dem Energiestoffwechsel ) oder in Hsp70 - Proteinen (eine Proteinfamilie , die eine wichtige Rolle bei der Proteinfaltung spielt). G-Aktin ist nur funktionsfähig, wenn es entweder ADP oder ATP in seiner Spalte enthält, aber die an ATP gebundene Form überwiegt in Zellen, wenn Aktin in seinem freien Zustand vorliegt.

Bandmodell von Aktin, extrahiert aus dem quergestreiften Muskelgewebe eines Kaninchens nach Graceffa und Domínguez, 2003. Die vier Subdomänen sind zu sehen, ebenso die N- und C- Termini und die Position der ATP-Bindung. Das Molekül wird unter Verwendung der üblichen Konvention orientiert, das - Ende (spitzes Ende) im oberen Teil und das + Ende (mit Widerhaken versehenes Ende) im unteren Teil zu platzieren.

Das Röntgenkristallographie- Modell von Aktin, das von Kabsch aus dem quergestreiften Muskelgewebe von Kaninchen hergestellt wurde, wird am häufigsten in Strukturstudien verwendet, da es als erstes gereinigt wurde . Die G-Aktin durch Kabsch kristallisiert wird ca. 67 x 40 x 37 Å groß, hat eine Molekularmasse von 41.785 Da und einen geschätzten isoelektrischen Punkt von 4,8. Seine Nettoladung bei pH = 7 beträgt -7.

Primärstruktur

Elzinga und Mitarbeiter bestimmten 1973 erstmals die vollständige Peptidsequenz für diesen Aktintyp, spätere Arbeiten desselben Autors fügten dem Modell weitere Details hinzu. Es enthält 374 Aminosäurereste . Sein N-Terminus ist stark sauer und beginnt mit einem acetylierten Aspartat in seiner Aminogruppe. Während dessen C-Terminus ist alkalisch und wird von einem gebildeten Phenylalanin voran durch ein Cystein , die einen Grad an funktioneller Bedeutung hat. Beide Extreme liegen innerhalb der I-Subdomäne in unmittelbarer Nähe. An Position 73 befindet sich ein anomales N τ -Methylhistidin .

Tertiärstruktur — Domänen

Die Tertiärstruktur wird von zwei Domänen gebildet, die als die große und die kleine bekannt sind, die durch einen Spalt getrennt sind, der um die Stelle der Bindung mit ATP - ADP + P i zentriert ist . Darunter befindet sich eine tiefere Kerbe, die als „Groove“ bezeichnet wird. Im Heimatstaat haben beide trotz ihrer Namen eine vergleichbare Tiefe.

Die übliche Konvention in topologischen Studien bedeutet, dass ein Protein mit der größten Domäne auf der linken Seite und der kleinsten Domäne auf der rechten Seite dargestellt wird. An dieser Position wird die kleinere Domäne wiederum in zwei Teile geteilt: Subdomäne I (untere Position, Reste 1–32, 70–144 und 338–374) und Subdomäne II (obere Position, Reste 33–69). Die größere Domäne ist ebenfalls zweigeteilt: Subdomäne III (untere, Reste 145–180 und 270–337) und Subdomäne IV (höher, Reste 181–269). Die exponierten Bereiche der Subdomänen I und III werden als „Barbed“-Enden bezeichnet, während die exponierten Bereiche der Domänen II und IV als „pointed“-Enden bezeichnet werden. Diese Nomenklatur bezieht sich darauf, dass aufgrund der geringen Masse der Subdomäne II-Aktin ist polar, dessen Bedeutung weiter unten in der Diskussion über die Montagedynamik diskutiert wird.Einige Autoren nennen die Unterdomänen Ia, Ib, IIa bzw. IIb.

Andere wichtige Strukturen

Die bemerkenswerteste Supersekundärstruktur ist ein fünfkettiges Beta-Faltblatt , das aus einem β-Mäander und einer β-α-β-Einheit im Uhrzeigersinn besteht. Es ist in beiden Domänen vorhanden, was darauf hindeutet, dass das Protein aus einer Genduplikation entstanden ist.

  • Die Adenosin-Nukleotid- Bindungsstelle befindet sich zwischen zwei beta-Haarnadel- förmigen Strukturen, die zu den I- und III-Domänen gehören. Die beteiligten Reste sind Asp11-Lys18 bzw. Asp154-His161.
  • Die Bindungsstelle für zweiwertige Kationen befindet sich direkt unter der für das Adenosinnukleotid. In vivo wird es am häufigsten durch Mg 2+ oder Ca 2+ gebildet, während es in vitro durch eine Chelatstruktur gebildet wird, die aus Lys18 und zwei Sauerstoffatomen aus den α- und β- Phosphaten des Nukleotids besteht . Dieses Calcium ist mit sechs Wassermolekülen koordiniert, die von den Aminosäuren Asp11 , Asp154 und Gln137 zurückgehalten werden . Sie bilden mit dem Nukleotid einen Komplex, der die Bewegungen der sogenannten "Hinge"-Region einschränkt, die sich zwischen den Resten 137 und 144 befindet. Dadurch wird die native Form des Proteins beibehalten, bis sein Entzug das Aktinmonomer denaturiert . Diese Region ist auch deshalb wichtig, weil sie bestimmt, ob sich die Proteinspalte in der "offenen" oder "geschlossenen" Konformation befindet.
  • Es ist sehr wahrscheinlich, dass es mindestens drei weitere Zentren mit geringerer Affinität (mittlere) und noch andere mit geringer Affinität zu zweiwertigen Kationen gibt. Es wurde vorgeschlagen, dass diese Zentren bei der Polymerisation von Aktin eine Rolle spielen können, indem sie während der Aktivierungsphase wirken.
  • Es gibt eine Struktur in Subdomäne 2, die als "D-Loop" bezeichnet wird, weil sie an DNase I bindet , sie befindet sich zwischen den His40- und Gly48- Resten. Es sieht in den meisten Kristallen wie ein ungeordnetes Element aus, aber es sieht aus wie ein β-Faltblatt, wenn es mit DNase I komplexiert wird Zentrum der Bindung mit dem Nukleotid zu dieser Domäne, die von einer Schleife in eine Spirale übergeht. Diese Hypothese wurde jedoch durch andere Studien widerlegt.

F-Aktin

F-Aktin; Oberflächendarstellung einer Wiederholung von 13 Untereinheiten basierend auf dem Aktinfilamentmodell von Ken Holmes

Die klassische Beschreibung von F-Aktin besagt, dass es eine filamentöse Struktur hat, die als einzelsträngige linksdrehende Helix mit einer Drehung von 166° um die Helixachse und einer axialen Translation von 27,5 Å oder als einzelsträngige rechtsdrehende Helix mit ein Überkreuzungsabstand von 350–380 Å, wobei jedes Aktin von vier weiteren umgeben ist. Die Symmetrie des Aktinpolymers mit 2,17 Untereinheiten pro Helixwindung ist mit der Kristallbildung unvereinbar , die nur bei einer Symmetrie von genau 2, 3, 4 oder 6 Untereinheiten pro Windung möglich ist. Daher müssen Modelle konstruiert werden, die diese Anomalien mit Daten aus Elektronenmikroskopie , Kryo-Elektronenmikroskopie , Kristallisation von Dimeren in verschiedenen Positionen und Beugung von Röntgenstrahlen erklären . Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht richtig ist, für ein so dynamisches Molekül wie das Aktinfilament von einer „Struktur“ zu sprechen. In Wirklichkeit sprechen wir von unterschiedlichen Strukturzuständen, in diesen bleibt die Messung der axialen Translation konstant bei 27.5 Å, während die Rotationsdaten der Untereinheiten eine beträchtliche Variabilität mit Verschiebungen von bis zu 10% von ihrer üblicherweise beobachteten optimalen Position zeigen. Einige Proteine, wie beispielsweise Cofilin, scheinen den Drehwinkel zu erhöhen, aber auch dies könnte als Bildung unterschiedlicher Strukturzustände interpretiert werden. Diese könnten im Polymerisationsverfahren wichtig sein.

Weniger Einigkeit herrscht bei Messungen des Wenderadius und der Filamentdicke: Während die ersten Modelle eine Länge von 25 angaben, deuten aktuelle Röntgenbeugungsdaten, die durch Kryo-Elektronenmikroskopie gesichert wurden, auf eine Länge von 23,7 . Diese Studien haben die genauen Kontaktpunkte zwischen Monomeren gezeigt. Einige werden mit Einheiten der gleichen Kette gebildet, zwischen dem "mit Widerhaken versehenen" Ende eines Monomers und dem "spitzen" Ende des nächsten. Während die Monomere in benachbarten Ketten durch Vorsprünge von Subdomäne IV seitlichen Kontakt herstellen, wobei die wichtigsten Vorsprünge die sind, die vom C-Terminus und der hydrophoben Verbindung gebildet werden, die von drei Körpern mit den Resten 39–42, 201–203 und 286 gebildet wird. Dies Modell legt nahe, dass ein Filament von Monomeren in einer "Faltblatt"-Formation gebildet wird, bei der sich die Subdomänen um sich selbst drehen, diese Form findet sich auch im bakteriellen Aktin-Homolog MreB .

Dem F-Actin-Polymer wird eine strukturelle Polarität zugeschrieben, da alle Untereinheiten des Mikrofilaments zum gleichen Ende zeigen. Dies führt zu einer Namenskonvention: Das Ende, das eine Aktin-Untereinheit besitzt, deren ATP-Bindungsstelle exponiert ist, wird als "(-)-Ende" bezeichnet, während das gegenüberliegende Ende, an dem die Spalte auf ein anderes benachbartes Monomer gerichtet ist, als " (+) Ende". Die Begriffe "spitz" und "mit Widerhaken versehen", die sich auf die beiden Enden der Mikrofilamente beziehen, leiten sich von ihrem Aussehen unter dem Transmissionselektronenmikroskop ab, wenn Proben nach einer als "Dekoration" bezeichneten Herstellungstechnik untersucht werden. Bei dieser Methode werden Myosin- S1-Fragmente in mit Gerbsäure fixiertes Gewebe eingebracht . Dieses Myosin bildet polare Bindungen mit Aktinmonomeren, was zu einer Konfiguration führt, die wie Pfeile mit Federbefiederung entlang seines Schafts aussieht, wobei der Schaft das Aktin und die Befiederung das Myosin sind. Nach dieser Logik wird das Ende des Mikrofilaments, das kein hervorstehendes Myosin aufweist, als Pfeilspitze (-Ende) und das andere Ende als Widerhakenende (+ Ende) bezeichnet. Ein S1-Fragment besteht aus den Kopf- und Halsdomänen von Myosin II . Unter physiologischen Bedingungen wird G-Aktin (die Monomerform ) durch ATP in F-Aktin (die Polymerform ) umgewandelt, wobei die Rolle von ATP wesentlich ist.

Das helikale F-Aktin-Filament in Muskeln enthält auch ein Tropomyosin- Molekül, ein 40 Nanometer langes Protein, das um die F-Aktin-Helix gewickelt ist. Während der Ruhephase bedeckt das Tropomyosin die aktiven Zentren des Aktins, so dass die Aktin-Myosin-Interaktion nicht stattfinden und eine Muskelkontraktion hervorrufen kann. Es gibt auch andere Proteinmoleküle an die Tropomyosin Faden gebunden ist , das sind die Troponine , die drei Polymere haben: Troponin I , Troponin T und Troponin C .

Falten

Band - Modell unter Verwendung der erhaltenen PyMOL Programm auf crystallographs ( PDB : 2ZDI ) der prefoldin Proteinen gefunden im Archaean Pyrococcus horikoshii . Die sechs Supersekundärstrukturen sind in einer gewundenen Helix „hängen“ von dem zentralen Beta Barrel . Diese werden in der Literatur oft mit den Tentakeln einer Qualle verglichen . Soweit elektronenmikroskopisch sichtbar ist , hat eukariotisches Prefoldin eine ähnliche Struktur.

Aktin kann einen großen Teil seiner Tertiärstruktur spontan erwerben . Die Art und Weise, wie es aus seiner neu synthetisierten nativen Form seine voll funktionsfähige Form erhält, ist jedoch speziell und in der Proteinchemie fast einzigartig. Der Grund für diese spezielle Route könnte die Notwendigkeit sein, falsch gefaltete Aktinmonomere zu vermeiden, die toxisch sein könnten, da sie als ineffiziente Polymerisationsterminatoren wirken können. Dennoch ist sie der Schlüssel zur Stabilität des Zytoskeletts und darüber hinaus ein wesentlicher Prozess zur Koordination des Zellzyklus .

CCT ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Faltung korrekt erfolgt. CCT ist ein Chaperonin der Gruppe II, ein großer Proteinkomplex, der die Faltung anderer Proteine ​​unterstützt. CCT besteht aus einem Doppelring aus acht verschiedenen Untereinheiten (heterooctamer) und unterscheidet sich von Chaperoninen der Gruppe I wie GroEL , das in Eubakterien und in eukaryotischen Organellen vorkommt, da es kein Co-Chaperon als Deckel benötigt über dem zentralen katalytischen Hohlraum. Substrate binden an CCT durch spezifische Domänen. Ursprünglich wurde angenommen, dass es nur an Aktin und Tubulin bindet , obwohl neuere Immunpräzipitationsstudien gezeigt haben, dass es mit einer Vielzahl von Polypeptiden interagiert , die möglicherweise als Substrate fungieren . Es wirkt durch ATP-abhängige Konformationsänderungen, die gelegentlich mehrere Freisetzungs- und Katalyserunden erfordern, um eine Reaktion abzuschließen.

Um erfolgreich zu vollenden ihre Faltung, sowohl Actin und Tubulin Bedarf mit einem anderen Protein zu interagieren , genannt Prefoldin , die ein heterohexameren Komplex (gebildet durch sechs verschiedene Untereinheiten) ist, in einer Interaktion, die so spezifisch ist , dass die Moleküle haben coevolved . Aktin komplexiert mit Prefoldin, während es noch gebildet wird, wenn es ungefähr 145 Aminosäuren lang ist, insbesondere diejenigen am N-Terminus.

Für Aktin oder Tubulin werden unterschiedliche Erkennungsuntereinheiten verwendet, obwohl es einige Überschneidungen gibt. In Aktin sind die Untereinheiten, die an Prefoldin binden, wahrscheinlich PFD3 und PFD4, die an zwei Stellen binden, eine zwischen den Resten 60–79 und die andere zwischen den Resten 170–198. Das Aktin wird erkannt, geladen und an das zytosolische Chaperonin (CCT) in einer offenen Konformation durch das innere Ende der "Tentakel" von Prefoldin abgegeben (siehe Bild und Hinweis). Der Kontakt bei der Abgabe von Aktin ist so kurz, dass ein tertiärer Komplex wird nicht gebildet, wodurch die Vorfaltung sofort freigesetzt wird.

Bandmodell der apikalen γ-Domäne des Chaperonins CCT

Das CCT bewirkt dann die sequentielle Faltung des Aktins, indem es Bindungen mit seinen Untereinheiten eingeht, anstatt es einfach in seinem Hohlraum einzuschließen. Deshalb besitzt es in seiner apikalen β-Domäne spezifische Erkennungsbereiche. Die erste Faltungsphase besteht in der Erkennung der Reste 245–249. Als nächstes stellen andere Determinanten den Kontakt her. Sowohl Aktin als auch Tubulin binden in offenen Konformationen an CCT in Abwesenheit von ATP. Bei Aktin werden bei jeder Konformationsänderung zwei Untereinheiten gebunden, während bei Tubulin die Bindung mit vier Untereinheiten stattfindet. Aktin besitzt spezifische Bindungssequenzen, die mit den δ- und β-CCT-Untereinheiten oder mit δ-CCT und ε-CCT interagieren. Nachdem AMP-PNP an CCT gebunden ist, bewegen sich die Substrate innerhalb der Kavität des Chaperonins. Es scheint auch, dass im Fall von Aktin das CAP-Protein als möglicher Cofaktor in den endgültigen Faltungszuständen von Aktin benötigt wird.

Die genaue Art und Weise, wie dieser Prozess reguliert wird, ist noch nicht vollständig verstanden, aber es ist bekannt, dass das Protein PhLP3 (ein Protein ähnlich dem Phosducin ) seine Aktivität durch die Bildung eines tertiären Komplexes hemmt.

Der katalytische Mechanismus der ATPase

Aktin ist eine ATPase , was bedeutet, dass es ein Enzym ist , das ATP hydrolysiert . Diese Gruppe von Enzymen zeichnet sich durch ihre langsamen Reaktionsgeschwindigkeiten aus. Es ist bekannt, dass diese ATPase „aktiv“ ist, d. h. ihre Geschwindigkeit erhöht sich um das 40.000-fache, wenn das Aktin Teil eines Filaments ist. Ein Referenzwert für diese Hydrolysegeschwindigkeit unter idealen Bedingungen liegt bei 0,3 s –1 . Dann bleibt das P i lange Zeit neben dem ADP an das Aktin gebunden, bis es kooperativ aus dem Inneren des Filaments freigesetzt wird.

Die genauen molekularen Details des katalytischen Mechanismus sind noch nicht vollständig verstanden. Obwohl dieses Thema viel diskutiert wird, scheint es sicher zu sein, dass für die Hydrolyse von ATP eine "geschlossene" Konformation erforderlich ist, und es wird angenommen, dass sich die am Prozess beteiligten Reste in die entsprechende Entfernung bewegen. Die Glutaminsäure Glu137 ist einer der Schlüsselreste, die sich in Subdomäne 1 befindet. Ihre Funktion besteht darin, das Wassermolekül zu binden, das einen nukleophilen Angriff auf die γ-Phosphatbindung des ATP auslöst , während das Nukleotid stark an die Subdomänen 3 und 4 . gebunden ist Die Langsamkeit des katalytischen Prozesses ist auf den großen Abstand und die schiefe Position des Wassermoleküls in Bezug auf den Reaktanten zurückzuführen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Konformationsänderung, die durch die Rotation der Domänen zwischen der G- und der F-Form des Aktins hervorgerufen wird, das Glu137 näher rückt und seine Hydrolyse ermöglicht. Dieses Modell legt nahe, dass die Polymerisation und die Funktion der ATPase sofort entkoppelt wären. Die "offene" zu "geschlossene" Transformation zwischen G- und F-Formen und ihre Auswirkungen auf die relative Bewegung mehrerer Schlüsselreste und die Bildung von Wasserdrähten wurden in Molekulardynamik- und QM/MM- Simulationen charakterisiert .

Genetik

Hauptinteraktionen von Strukturproteinen finden an der Cadherin- basierten Adhärens-Verbindung statt. Aktinfilamente sind mit α- Aktinin und über Vinculin mit der Membran verbunden . Die Kopfdomäne von Vinculin assoziiert mit E-Cadherin über α-Catenin , β-Catenin und γ-Catenin . Die Schwanzdomäne von Vinculin bindet an Membranlipide und Aktinfilamente.

Aktin war im Laufe der Evolution eines der am höchsten konservierten Proteine, da es mit einer Vielzahl anderer Proteine ​​interagiert. Es hat 80,2% Sequenzerhaltung auf der Gen - Ebene zwischen Homo sapiens und Saccharomyces cerevisiae (eine Art der Hefe), und 95% Konservierung der Primärstruktur des Proteinproduktes.

Obwohl die meisten Hefen nur ein einziges Actin-Gen aufweisen, exprimieren höhere Eukaryoten im Allgemeinen mehrere Isoformen von Actin, die von einer Familie verwandter Gene kodiert werden. Säugetiere haben mindestens sechs Aktin-Isoformen, die von separaten Genen kodiert werden, die nach ihren isoelektrischen Punkten in drei Klassen (Alpha, Beta und Gamma) eingeteilt werden . Im Allgemeinen finden sich Alpha-Aktine im Muskel (α-Skelett, α-Aorta glatt, α-Herz), während Beta- und Gamma-Isoformen in Nicht-Muskelzellen (β-Zytoplasma, γ1-Zytoplasma, γ2-Enteral glatt) vorherrschen. . Obwohl die Aminosäuresequenzen und in-vitro- Eigenschaften der Isoformen sehr ähnlich sind, können diese Isoformen sich in vivo nicht vollständig ersetzen .

Das typische Actin-Gen hat eine 5'-UTR von ungefähr 100 Nukleotiden , eine translatierte Region von 1200 Nukleotiden und eine 3'-UTR von 200 Nukleotiden . Die Mehrheit der Aktin-Gene wird durch Introns unterbrochen , mit bis zu sechs Introns an einer von 19 gut charakterisierten Stellen. Die hohe Erhaltung der Familie macht Aktin zum bevorzugten Modell für Studien, die die Introns-frühen und Introns-späten Modelle der Intronentwicklung vergleichen.

Alle nicht-sphärischen Prokaryonten scheinen Gene wie MreB zu besitzen , die Homologe von Aktin kodieren ; diese Gene werden benötigt, um die Form der Zelle zu erhalten. Das Plasmid- abgeleitete Gen ParM kodiert für ein Aktin-ähnliches Protein, dessen polymerisierte Form dynamisch instabil ist , und scheint die Plasmid- DNA während der Zellteilung durch einen Mechanismus analog zu dem von Mikrotubuli in der eukaryotischen Mitose verwendeten in seine Tochterzellen aufzuteilen . Aktin kommt sowohl im glatten als auch im rauen endoplasmatischen Retikulum vor.

Montagedynamik

Nukleation und Polymerisation

Bildung dünner Filamente, die den Polymerisationsmechanismus zur Umwandlung von G-Aktin in F-Aktin zeigen; Beachten Sie die Hydrolyse des ATP.

Nukleierungsfaktoren sind notwendig, um die Aktinpolymerisation zu stimulieren. Ein solcher Keimbildungsfaktor ist der Arp2/3-Komplex , der ein G-Aktin-Dimer nachahmt, um die Keimbildung (oder Bildung des ersten Trimers) von monomerem G-Aktin zu stimulieren. Der Arp2/3-Komplex bindet bei 70 Grad an Aktinfilamente, um neue Aktinverzweigungen von bestehenden Aktinfilamenten zu bilden. Eine Arp2/3-vermittelte Nukleation ist für die gerichtete Zellmigration notwendig. Auch Aktinfilamente selbst binden ATP, und die Hydrolyse dieses ATP stimuliert die Destabilisierung des Polymers.

Das Wachstum von Aktinfilamenten kann durch Thymosin und Profilin reguliert werden . Thymosin bindet an G-Aktin, um den Polymerisationsprozess zu puffern, während Profilin an G-Aktin bindet, um ADP gegen ATP auszutauschen , was die monomere Addition an das Widerhaken plus Ende der F-Aktin-Filamente fördert.

F-Aktin ist sowohl stark als auch dynamisch. Im Gegensatz zu anderen Polymeren wie DNA , deren Bestandteile durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind , werden die Monomere von Aktinfilamenten durch schwächere Bindungen zusammengesetzt. Die seitlichen Bindungen mit benachbarten Monomeren lösen diese Anomalie auf, was theoretisch die Struktur schwächen sollte, da sie durch thermisches Rühren aufgebrochen werden kann. Außerdem haben die schwachen Bindungen den Vorteil, dass die Filamentenden leicht Monomere ablösen oder einarbeiten können. Dies bedeutet, dass die Filamente schnell umgebaut werden können und die Zellstruktur als Reaktion auf einen Umweltreiz ändern können. Was zusammen mit dem biochemischen Mechanismus, durch den es zustande kommt, als "Assembly-Dynamik" bezeichnet wird.

In-vitro- Studien

Studien, die sich auf die Akkumulation und den Verlust von Untereinheiten durch Mikrofilamente konzentrieren, werden in vitro (d. h. im Labor und nicht an zellulären Systemen) durchgeführt, da die Polymerisation des resultierenden Aktins zu demselben F-Aktin führt, das in vivo produziert wird . Der in-vivo- Prozess wird durch eine Vielzahl von Proteinen gesteuert, um ihn auf zelluläre Anforderungen ansprechen zu können, was die Beobachtung seiner Rahmenbedingungen erschwert.

Die In-vitro- Produktion erfolgt sequentiell: Zunächst gibt es die „Aktivierungsphase“, bei der die Bindung und der Austausch von zweiwertigen Kationen an bestimmten Stellen des an ATP gebundenen G-Aktins erfolgt. Dies führt zu einer Konformationsänderung, die manchmal als G*-Aktin- oder F-Aktin-Monomer bezeichnet wird, da sie den Einheiten, die sich auf dem Filament befinden, sehr ähnlich ist. Dadurch wird es auf die „Nukleationsphase“ vorbereitet, in der das G-Aktin zu kleinen instabilen Fragmenten des F-Aktins führt, die polymerisieren können. Zunächst werden instabile Dimere und Trimere gebildet. Die "Elongationsphase" beginnt, wenn eine ausreichend große Anzahl dieser kurzen Polymere vorhanden ist. In dieser Phase bildet sich das Filament und wächst schnell durch die reversible Zugabe neuer Monomere an beiden Extremen. Schließlich wird ein stationäres Gleichgewicht erreicht, bei dem die G-Aktin-Monomere an beiden Enden des Mikrofilaments ohne Änderung seiner Gesamtlänge ausgetauscht werden. In dieser letzten Phase wird die "kritische Konzentration C c " als das Verhältnis zwischen der Assemblierungskonstante und der Dissoziationskonstante für G-Aktin definiert, wobei die Dynamik für die Zugabe und Eliminierung von Dimeren und Trimeren keine Änderung der Länge des Mikrofilaments bewirkt . Unter in vitro- Bedingungen beträgt C c 0,1 µM, was bedeutet, dass bei höheren Werten Polymerisation und bei niedrigeren Werten Depolymerisation auftritt.

Rolle der ATP-Hydrolyse

Wie oben erwähnt, hydrolysiert Aktin zwar ATP, aber alles deutet darauf hin, dass ATP für den Aufbau von Aktin nicht erforderlich ist, da einerseits die Hydrolyse hauptsächlich innerhalb des Filaments stattfindet und andererseits das ADP auch Polymerisation auslösen. Dabei stellt sich die Frage des Verstehens , die thermodynamisch ungünstigen Prozess eine solche ungeheure Ausgaben erfordert Energie . Der Aktinzyklus, der die ATP-Hydrolyse mit der Aktinpolymerisation koppelt, besteht aus der bevorzugten Zugabe von G-Aktin-ATP-Monomeren an das mit Widerhaken versehene Ende eines Filaments und dem gleichzeitigen Abbau von F-Aktin-ADP-Monomeren am spitzen Ende, wo das ADP anschließend in ATP umgewandelt, wodurch der Kreislauf geschlossen wird. Dieser Aspekt der Aktinfilamentbildung wird als „Treadmilling“ bezeichnet.

ATP wird direkt nach der Zugabe eines G-Actin-Monomers zum Filament relativ schnell hydrolysiert. Es gibt zwei Hypothesen, wie dies geschieht; die Stochastik , die darauf hindeutet, dass die Hydrolyse zufällig auf eine Weise stattfindet, die in irgendeiner Weise von den benachbarten Molekülen beeinflusst wird; und das vektorielle, was darauf hindeutet, dass die Hydrolyse nur neben anderen Molekülen stattfindet, deren ATP bereits hydrolysiert wurde. In beiden Fällen wird das resultierende P i nicht freigegeben; es bleibt für einige Zeit nichtkovalent an das ADP des Aktins gebunden. Auf diese Weise gibt es in einem Filament drei Arten von Aktin: ATP-Actin, ADP+P i -Actin und ADP-Actin. Die Menge jeder dieser Spezies, die in einem Filament vorhanden ist, hängt von seiner Länge und seinem Zustand ab: Wenn die Dehnung beginnt, hat das Filament eine ungefähr gleiche Menge an Aktinmonomeren, die an ATP und ADP+P i gebunden sind, und eine kleine Menge an ADP-Actin an der (-) Ende. Wenn der stationäre Zustand erreicht ist, kehrt sich die Situation um, wobei ADP entlang des Großteils des Filaments vorhanden ist und nur der dem (+)-Ende am nächsten liegende Bereich ADP + P i enthält und ATP nur an der Spitze vorhanden ist.

Vergleichen wir die Filamente, die nur ADP-Actin enthalten, mit denen, die ATP enthalten, sind bei ersteren die kritischen Konstanten an beiden Enden ähnlich, während C c für die anderen beiden Nukleotide unterschiedlich ist: Am (+)-Ende Cc + =0,1 μM, während am (-)-Ende Cc =0,8 μM, was zu folgenden Situationen führt:

  • Bei G-Actin-ATP-Konzentrationen von weniger als Cc + tritt keine Verlängerung des Filaments auf.
  • Bei G-Actin-ATP-Konzentrationen von weniger als Cc aber größer als Cc + tritt am (+)-Ende eine Verlängerung auf.
  • Bei G-Actin-ATP-Konzentrationen größer als Cc wächst das Mikrofilament an beiden Enden.

Daraus lässt sich ableiten, dass die bei der Hydrolyse erzeugte Energie verwendet wird, um einen echten „stationären Zustand“, also einen Fluss, anstelle eines einfachen Gleichgewichts zu erzeugen, der dynamisch, polar und am Filament befestigt ist. Dies rechtfertigt den Energieaufwand, da es wesentliche biologische Funktionen fördert. Darüber hinaus wird die Konfiguration der verschiedenen Monomertypen von Aktin-bindenden Proteinen erfasst, die diese Dynamik ebenfalls steuern, wie im folgenden Abschnitt beschrieben wird.

Es hat sich herausgestellt, dass die Bildung von Mikrofilamenten durch Laufband bei Stereozilien untypisch ist . In diesem Fall ist die Kontrolle der Größe der Struktur vollständig apikal und wird in gewisser Weise durch die Genexpression kontrolliert, d. h. durch die Gesamtmenge an Proteinmonomer, die zu einem bestimmten Zeitpunkt synthetisiert wird.

Assoziierte Proteine

Ein Aktin (grün) - Profilin (blau) Komplex. Das gezeigte Profilin gehört zur Gruppe II, die normalerweise in den Nieren und im Gehirn vorhanden ist .

Das Aktin-Zytoskelett in vivo besteht nicht ausschließlich aus Aktin, andere Proteine ​​werden für seine Bildung, seinen Fortbestand und seine Funktion benötigt. Diese Proteine ​​werden Aktin-bindende Proteine (ABP) genannt und sind an der Polymerisation, Depolymerisation, Stabilität, Organisation in Bündeln oder Netzwerken, Fragmentierung und Zerstörung von Aktin beteiligt. Die Vielfalt dieser Proteine ​​ist so groß, dass man annimmt, dass Aktin das Protein ist, das an den meisten Protein-Protein-Wechselwirkungen teilnimmt . Beispielsweise existieren G-Aktin-sequestrierende Elemente, die seinen Einbau in Mikrofilamente behindern. Es gibt auch Proteine, die seine Polymerisation stimulieren oder den synthetisierenden Netzwerken Komplexität verleihen.

  • Thymosin β-4 ist ein 5-kDa-Protein, das mit G-Actin-ATP in einer 1:1- Stöchiometrie binden kann ; was bedeutet, dass eine Einheit Thymosin β-4 an eine Einheit G-Actin bindet. Seine Rolle besteht darin, den Einbau der Monomere in das wachsende Polymer zu verhindern.
  • Profilin ist ein zytosolisches Protein mit einem Molekulargewicht von 15 kDa, das auch an G-Actin-ATP oder -ADP mit einer Stöchiometrie von 1:1 bindet, aber eine andere Funktion hat, da es den Ersatz von ADP-Nukleotiden durch ATP . erleichtert . Es ist auch an anderen zellulären Funktionen beteiligt, beispielsweise an der Bindung von Prolin- Wiederholungen in anderen Proteinen oder von Lipiden, die als sekundäre Botenstoffe fungieren .
Das Protein Gelsolin , das ein wichtiger Regulator beim Auf- und Abbau von Aktin ist. Es hat sechs Subdomänen, S1-S6, von denen jede aus einem fünfsträngigen β-Faltblatt besteht, das von zwei α-Helices flankiert wird , eine senkrecht zu den Strängen und die andere in einer parallelen Position. Sowohl das N-terminale Ende (S1-S3) als auch das C-terminale Ende (S4-S6) bilden ein verlängertes β-Faltblatt.

Andere Proteine, die an Aktin binden, regulieren die Länge der Mikrofilamente, indem sie sie schneiden, wodurch neue aktive Enden für die Polymerisation entstehen. Wenn beispielsweise ein Mikrofilament mit zwei Enden zweimal geschnitten wird, entstehen drei neue Mikrofilamente mit sechs Enden. Diese neue Situation begünstigt die Dynamik der Montage und Demontage. Die bemerkenswertesten dieser Proteine ​​sind Gelsolin und Cofilin . Diese Proteine ​​erreichen zuerst einen Schnitt, indem sie an ein im Polymer befindliches Aktinmonomer binden, dann ändern sie die Konformation des Aktinmonomers, während sie an das neu erzeugte (+)-Ende gebunden bleiben. Dies hat den Effekt, dass die Zugabe oder der Austausch neuer G-Aktin-Untereinheiten verhindert wird. Die Depolymerisation wird gefördert, da die (-)-Enden mit keinem anderen Molekül verbunden sind.

Andere Proteine, die an Aktin binden, bedecken die Enden von F-Aktin, um sie zu stabilisieren, können sie aber nicht brechen. Beispiele für diese Art von Protein sind CapZ , das die (+)-Enden in Abhängigkeit vom Ca 2+ / Calmodulin -Spiegel einer Zelle bindet . Diese Werte hängen von den internen und externen Signalen der Zelle ab und sind an der Regulierung ihrer biologischen Funktionen beteiligt). Ein weiteres Beispiel ist Tropomodulin (das an das (-) Ende bindet). Tropomodulin wirkt im Grunde der F-Actin , die in dem zur Stabilisierung Myofibrillen in präsentieren Muskel Sarkomeren , die Strukturen , die durch ihre hohe Stabilität auszeichnen.

Atomstruktur von Arp2/3. Jede Farbe entspricht einer Untereinheit: Arp3, Orange; Arp2, Meerblau (Untereinheiten 1 und 2 sind nicht gezeigt); S.40, grün; p34, hellblau; p20, dunkelblau; p21, Magenta; S.16, gelb.

Der Arp2/3-Komplex ist in allen eukaryontischen Organismen weit verbreitet. Es besteht aus sieben Untereinheiten, von denen einige eine Topologie aufweisen , die eindeutig mit ihrer biologischen Funktion zusammenhängt: Zwei der Untereinheiten, ARP2 und ARP3, haben eine ähnliche Struktur wie Aktinmonomere. Diese Homologie ermöglicht es beiden Einheiten, als Nukleierungsmittel bei der Polymerisation von G-Aktin und F-Aktin zu wirken. Dieser Komplex wird auch bei komplizierteren Prozessen benötigt, beispielsweise beim Aufbau dendritischer Strukturen und auch bei der Anastomose (der Wiederverbindung zweier zuvor verbundener Verzweigungsstrukturen, beispielsweise in Blutgefäßen).

Chemische Inhibitoren

Chemische Struktur von Phalloidin

Es gibt eine Reihe von Toxinen , die die Dynamik von Aktin beeinträchtigen, indem sie entweder die Polymerisation verhindern ( Latrunculin und Cytochalasin D ) oder indem sie es stabilisieren ( Phalloidin ):

  • Latrunculin ist ein Toxin, das von Schwämmen produziert wird . Es bindet an G-Aktin und verhindert, dass es sich an Mikrofilamente bindet.
  • Cytochalasin D ist ein von Pilzen produziertes Alkaloid , das an das (+)-Ende von F-Aktin bindet und die Zugabe neuer Monomere verhindert. Es wurde festgestellt, dass Cytochalasin D die Dynamik von Aktin stört und das Protein p53 bei Tieren aktiviert .
  • Phalloidin ist ein Toxin, das aus dem Todeskappenpilz Amanita phalloides isoliert wurde . Es bindet an die Grenzfläche zwischen benachbarten Aktinmonomeren im F-Aktin-Polymer und verhindert dessen Depolymerisation.

Funktionen und Standort

Aktin bildet Filamente ('F-Aktin' oder Mikrofilamente ) sind wesentliche Elemente des eukaryotischen Zytoskeletts , die eine sehr schnelle Polymerisations- und Depolymerisationsdynamik durchlaufen können. In den meisten Zellen bilden Aktinfilamente großräumige Netzwerke, die für viele Schlüsselfunktionen in Zellen essentiell sind:

  • Verschiedene Arten von Aktinnetzwerken (aus Aktinfilamenten) geben den Zellen mechanische Unterstützung und bieten Transportwege durch das Zytoplasma, um die Signalübertragung zu unterstützen.
  • Der schnelle Auf- und Abbau des Aktinnetzwerks ermöglicht die Migration von Zellen ( Zellmigration ).
  • In metazoischen Muskelzellen das Gerüst zu sein, auf dem Myosinproteine Kraft erzeugen, um die Muskelkontraktion zu unterstützen.
  • In Nicht-Muskelzellen, um eine Spur für Frachttransport-Myosine (nicht konventionelle Myosine) wie Myosin V und VI zu sein. Nicht-konventionelle Myosine nutzen die ATP-Hydrolyse, um Fracht, wie Vesikel und Organellen, viel schneller als die Diffusion gezielt zu transportieren . Myosin V wandert in Richtung des mit Widerhaken versehenen Endes der Aktinfilamente, während Myosin VI in Richtung des spitzen Endes wandert. Die meisten Aktinfilamente sind mit dem Widerhaken zur Zellmembran und dem spitzen Ende zum Zellinneren hin angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht es Myosin V, ein effektiver Motor für den Export von Fracht zu sein, und Myosin VI, ein effektiver Motor für den Import zu sein.

Das Aktinprotein kommt sowohl im Zytoplasma als auch im Zellkern vor . Seine Position wird durch Signaltransduktionswege der Zellmembran reguliert, die die Stimuli integrieren, die eine Zelle erhält, wodurch die Restrukturierung der Aktinnetzwerke als Reaktion stimuliert wird. In Dictyostelium wurde gefunden , dass Phospholipase D in die Inositolphosphatwege eingreift. Aktinfilamente sind besonders stabil und in Muskelfasern reichlich vorhanden . Innerhalb des Sarkomers (der grundlegenden morphologischen und physiologischen Einheit der Muskelfasern) ist Aktin sowohl in der I- als auch in der A-Bande vorhanden; In letzterem ist auch Myosin vorhanden.

Zytoskelett

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von F-Aktin (in Grün) in Rattenfibroblasten

Mikrofilamente sind an der Bewegung aller mobilen Zellen beteiligt, einschließlich nicht-muskulärer Zellen, und Medikamente, die die F-Aktin-Organisation stören (wie die Cytochalasine ), beeinflussen die Aktivität dieser Zellen. Aktin macht 2 % der Gesamtproteinmenge in Hepatozyten , 10 % in Fibroblasten , 15 % in Amöben und bis zu 50–80 % in aktivierten Blutplättchen aus . Es gibt eine Reihe verschiedener Aktintypen mit leicht unterschiedlichen Strukturen und Funktionen. Das bedeutet, dass α-Aktin ausschließlich in Muskelfasern vorkommt , während die Typen β und γ in anderen Zellen vorkommen. Da die letztgenannten Typen zudem eine hohe Fluktuationsrate aufweisen, befinden sich die meisten von ihnen außerhalb von festen Strukturen. Dies bedeutet, dass die Mikrofilamente, die in anderen Zellen als Muskelzellen vorkommen, in drei Formen vorliegen:

Ein zusammengeführter Stapel konfokaler Bilder, die Aktinfilamente innerhalb einer Zelle zeigen. Das Bild wurde in der Z-Achse farbkodiert, um in einem 2D-Bild zu zeigen, in welchen Höhen Filamente innerhalb der Zellen zu finden sind.
  • Mikrofilamentbündel – Diese extrem langen Mikrofilamente befinden sich in Netzwerken und sind in Verbindung mit kontraktilen Proteinen wie dem nicht-muskulären Myosin an der Bewegung von Substanzen auf intrazellulärer Ebene beteiligt.
  • Periodische Aktinringe - Eine periodische Struktur, die aus gleichmäßig beabstandeten Aktinringen besteht, wurde kürzlich gefunden, die speziell in Axonen (nicht Dendriten ) existiert. In dieser Struktur bilden die Aktinringe zusammen mit Spektrintetrameren , die die benachbarten Aktinringe verbinden, ein zusammenhängendes Zytoskelett , das die Axonmembran trägt. Die Strukturperiodizität kann auch die Natriumionenkanäle in Axonen regulieren .

Hefen

Das Zytoskelett von Aktin ist der Schlüssel zu den Prozessen der Endozytose , Zytokinese , Bestimmung der Zellpolarität und Morphogenese in Hefen . Diese Prozesse sind nicht nur auf Aktin angewiesen, sondern umfassen auch 20 oder 30 assoziierte Proteine, die alle einen hohen evolutionären Konservierungsgrad aufweisen, zusammen mit vielen Signalmolekülen. Zusammen ermöglichen diese Elemente eine räumlich und zeitlich modulierte Anordnung, die die Reaktion einer Zelle auf innere und äußere Reize definiert.

Hefen enthalten drei Hauptelemente, die mit Aktin in Verbindung gebracht werden: Flecken, Kabel und Ringe, die, obwohl sie nicht lange vorhanden sind, durch kontinuierliche Polymerisation und Depolymerisation einem dynamischen Gleichgewicht unterliegen. Sie besitzen eine Reihe von akzessorischen Proteinen, einschließlich ADF/Cofilin, das ein Molekulargewicht von 16 kDa hat und von einem einzigen Gen namens COF1 kodiert wird ; Aip1, ein Cofilin-Cofaktor, der den Abbau von Mikrofilamenten fördert; Srv2/CAP, ein Prozessregulator, der mit Adenylatcyclase- Proteinen verwandt ist; ein Profilin mit einem Molekulargewicht von ungefähr 14 kDa, das mit Aktinmonomeren verwandt/assoziiert ist; und Twinfilin, ein 40 kDa Protein, das an der Organisation von Pflastern beteiligt ist.

Pflanzen

Pflanzengenomstudien haben die Existenz von Protein isovariants innerhalb der Aktin - Familie von Genen offenbart. Innerhalb von Arabidopsis thaliana , einem als Modellorganismus verwendeten Dikotyledon , gibt es zehn Arten von Aktin, neun Arten von α-Tubulinen, sechs β-Tubuline, sechs Profiline und Dutzende von Myosinen. Diese Vielfalt erklärt sich aus der evolutionären Notwendigkeit, Varianten zu besitzen, die sich in ihrem zeitlichen und räumlichen Ausdruck leicht unterscheiden. Die Mehrzahl dieser Proteine ​​wurde im analysierten Gewebe gemeinsam exprimiert . Aktinnetzwerke sind im Zytoplasma von in vitro kultivierten Zellen verteilt . Es gibt eine Konzentration des Netzwerks um den Zellkern, das über Speichen mit dem zellulären Kortex verbunden ist, dieses Netzwerk ist hochdynamisch, mit einer kontinuierlichen Polymerisation und Depolymerisation.

Struktur der C-terminalen Subdomäne von Villin , einem Protein, das Mikrofilamente spalten kann

Obwohl die meisten Pflanzenzellen eine Zellwand haben , die ihre Morphologie definiert und ihre Bewegung behindert, können ihre Mikrofilamente eine ausreichende Kraft erzeugen, um eine Reihe von zellulären Aktivitäten zu erreichen, wie z. B. die zytoplasmatischen Ströme, die von den Mikrofilamenten und Myosin erzeugt werden. Aktin ist auch an der Bewegung von Organellen und an der zellulären Morphogenese beteiligt, die sowohl die Zellteilung als auch die Verlängerung und Differenzierung der Zelle beinhaltet.

Zu den bemerkenswertesten Proteinen, die mit dem Aktin-Zytoskelett in Pflanzen assoziiert sind , gehören: Villin , das zur gleichen Familie wie Gelsolin /Severin gehört und in der Lage ist, Mikrofilamente zu schneiden und Aktinmonomere in Gegenwart von Calciumkationen zu binden; Fimbrin , das Aktinmonomere erkennen und vereinigen kann und an der Bildung von Netzwerken beteiligt ist (durch einen anderen Regulationsprozess als bei Tieren und Hefen); Formine , die als F-Actin-Polymerisationskeimbildner wirken können; Myosin , ein typischer molekularer Motor, der spezifisch für Eukaryoten ist und der in Arabidopsis thaliana von 17 Genen in zwei verschiedenen Klassen kodiert wird; CHUP1, das Aktin binden kann und an der räumlichen Verteilung von Chloroplasten in der Zelle beteiligt ist; KAM1/MUR3, die die Morphologie des Golgi-Apparats sowie die Zusammensetzung der Xyloglucane in der Zellwand definieren; NtWLIM1, das die Entstehung von Aktinzellstrukturen erleichtert; und ERD10, das an der Assoziation von Organellen innerhalb von Membranen und Mikrofilamenten beteiligt ist und eine Rolle zu spielen scheint, die an der Reaktion eines Organismus auf Stress beteiligt ist .

Nukleare Aktine

Nuclear Actin wurde erstmals 1977 von Clark und Merriam entdeckt und beschrieben. Die Autoren beschreiben ein Protein, das in der Kernfraktion vorhanden ist und aus Xenopus laevis- Oozyten gewonnen wird und die gleichen Eigenschaften wie Skelettmuskel-Aktin aufweist. Seit dieser Zeit gibt es viele wissenschaftliche Berichte über die Struktur und Funktion von Aktin im Zellkern (Übersicht siehe: Hofmann 2009.) Der kontrollierte Aktinspiegel im Zellkern, seine Wechselwirkung mit Aktin-bindenden Proteinen (ABP) und die Anwesenheit verschiedener Isoformen ermöglicht es Aktin, in vielen wichtigen Kernprozessen eine wichtige Rolle zu spielen.

Aktintransport durch die Kernmembran

Die Aktinsequenz enthält kein nukleäres Lokalisierungssignal. Die geringe Größe von Aktin (ca. 43 kDa) ermöglicht es, durch passive Diffusion in den Zellkern einzudringen. Aktin pendelt jedoch recht schnell zwischen Zytoplasma und Zellkern, was auf die Existenz eines aktiven Transports hindeutet. Der Import von Aktin in den Zellkern (wahrscheinlich im Komplex mit Cofilin) ​​wird durch das Importprotein Importin 9 erleichtert.

Ein niedriger Aktinspiegel im Kern scheint sehr wichtig zu sein, da Aktin zwei Kernexportsignale (NES) in seiner Sequenz hat. Mikroinjiziertes Aktin wird schnell aus dem Zellkern in das Zytoplasma entfernt. Aktin wird mindestens auf zwei Arten exportiert , durch Exportin 1 (Exp1) und Exportin 6 (Exp6).

Spezifische Modifikationen, wie die SUMOylierung, ermöglichen eine nukleare Aktinretention. Es wurde gezeigt, dass eine Mutation, die die SUMOylierung verhindert, einen schnellen Export von Beta-Aktin aus dem Zellkern verursacht.

Basierend auf den experimentellen Ergebnissen kann ein allgemeiner Mechanismus des nuklearen Aktintransports vorgeschlagen werden:

  • Im Zytoplasma bindet Cofilin ADP-Aktinmonomere. Dieser Komplex wird aktiv in den Zellkern importiert.
  • Eine höhere ATP-Konzentration im Zellkern (im Vergleich zum Zytoplasma) fördert den Austausch von ADP zu ATP im Aktin-Cofilin-Komplex. Dies schwächt die Bindungsstärke dieser beiden Proteine.
  • Der Cofilin-Aktin-Komplex dissoziiert schließlich nach der Cofilin-Phosphorylierung durch die nukleäre LIM-Kinase.
  • Aktin ist SUMOyliert und wird in dieser Form im Zellkern zurückgehalten.
  • Aktin kann mit Profilin Komplexe bilden und den Zellkern über Exportin 6 verlassen.

Die Organisation der nuklearen Aktin

Nukleares Aktin liegt hauptsächlich als Monomer vor, kann aber auch dynamische Oligomere und kurze Polymere bilden. Die nukleare Aktinorganisation variiert in verschiedenen Zelltypen. Zum Beispiel bildet Aktin in Xenopus- Oozyten (mit einem höheren Aktinspiegel im Kern im Vergleich zu somatischen Zellen) Filamente, die die Kernarchitektur stabilisieren. Diese Filamente können dank der Fluorophor-konjugierten Phalloidin-Färbung unter dem Mikroskop beobachtet werden.

In somatischen Zellkernen können mit dieser Technik jedoch keine Aktinfilamente beobachtet werden. Der DNase-I-Hemmtest, der bisher einzige Test, der die Quantifizierung des polymerisierten Aktins direkt in biologischen Proben erlaubt, hat gezeigt, dass endogenes nukleäres Aktin tatsächlich hauptsächlich in monomerer Form vorkommt.

Ein genau kontrollierter Aktinspiegel im Zellkern, niedriger als im Zytoplasma, verhindert die Bildung von Filamenten. Die Polymerisation wird auch durch den eingeschränkten Zugang zu Aktinmonomeren verringert, die in Komplexen mit ABPs, hauptsächlich Cofilin, gebunden sind.

Aktin-Isoformen im Zellkern

Aktin-Isoformen wird wenig Aufmerksamkeit geschenkt; es wurde jedoch gezeigt, dass im Zellkern verschiedene Isoformen von Aktin vorhanden sind. Aktin-Isoformen haben trotz ihrer hohen Sequenzähnlichkeit unterschiedliche biochemische Eigenschaften wie Polymerisations- und Depolymerisationskinetik. Sie zeigen auch unterschiedliche Lokalisierungen und Funktionen.

Der Spiegel an Aktin-Isoformen, sowohl im Zytoplasma als auch im Zellkern, kann sich beispielsweise als Reaktion auf die Stimulierung des Zellwachstums oder den Stillstand der Proliferation und der Transkriptionsaktivität ändern.

Forschungsbedenken bezüglich des nuklearen Aktins konzentrieren sich normalerweise auf die Beta-Isoform. Die Verwendung von Antikörpern, die gegen verschiedene Aktin-Isoformen gerichtet sind, ermöglicht jedoch nicht nur die Identifizierung des zytoplasmatischen Beta im Zellkern, sondern auch:

  • Gamma-Aktin in den Zellkernen des menschlichen Melanoms,
  • Alpha-Skelettmuskel-Aktin in den Kernen von Maus-Myoblasten,
  • zytoplasmatisches Gamma-Aktin und auch Alpha-Glattmuskel-Aktin im Kern des fetalen Mausfibroblasten

Das Vorhandensein verschiedener Isoformen von Aktin kann einen signifikanten Einfluss auf seine Funktion in nuklearen Prozessen haben, insbesondere weil die Konzentration einzelner Isoformen unabhängig voneinander kontrolliert werden kann.

Nukleare Aktinfunktionen

Die Funktionen von Aktin im Zellkern sind mit seiner Fähigkeit zur Polymerisation und Wechselwirkung mit einer Vielzahl von ABPs und mit Strukturelementen des Zellkerns verbunden. Nukleares Aktin ist beteiligt an:

  • Architektur des Kerns - Die Interaktion von Aktin mit Alpha II-Spektrin und anderen Proteinen ist wichtig für die Aufrechterhaltung der richtigen Form des Kerns.
  • Transkription – Aktin ist an der Chromatinreorganisation, der Transkriptionsinitiation und der Interaktion mit dem Transkriptionskomplex beteiligt. Aktin ist an der Regulierung der Chromatinstruktur beteiligt und interagiert mit RNA-Polymerase I, II und III. Bei der Pol I-Transkription wirken Aktin und Myosin ( MYO1C , das DNA bindet) als molekularer Motor . Für die Pol II-Transkription wird β-Aktin für die Bildung des Präinitiationskomplexes benötigt. Pol III enthält β-Aktin als Untereinheit. Aktin kann auch Bestandteil von Chromatin-Remodeling-Komplexen sowie von Prä-mRNP-Partikeln (d. h. in Proteinen gebündelter Vorläufer- Messenger-RNA ) sein und ist am nuklearen Export von RNAs und Proteinen beteiligt.
  • Regulierung der Genaktivität – Aktin bindet an die regulatorischen Regionen verschiedener Arten von Genen. Die Fähigkeit von Actin, die Genaktivität zu regulieren, wird in der molekularen Reprogrammierungsmethode genutzt, die es differenzierten Zellen ermöglicht, in ihren embryonalen Zustand zurückzukehren.
  • Translokation des aktivierten Chromosomenfragments von der unteren Membranregion zu Euchromatin, wo die Transkription beginnt. Diese Bewegung erfordert das Zusammenspiel von Aktin und Myosin.
  • Integration verschiedener Zellkompartimente . Aktin ist ein Molekül, das zytoplasmatische und nukleäre Signalübertragungswege integriert. Ein Beispiel ist die Aktivierung der Transkription als Reaktion auf die Serumstimulation von Zellen in vitro .
  • Immunantwort – Nukleares Aktin polymerisiert bei T-Zell-Rezeptor- Stimulation und wird für die Zytokin-Expression und die Antikörper-Produktion in vivo benötigt .

Aufgrund seiner Fähigkeit, Konformationsänderungen und Wechselwirkung mit vielen Proteinen einzugehen, wirkt Aktin als Regulator der Bildung und Aktivität von Proteinkomplexen wie dem Transkriptionskomplex.

Muskelkontraktion

Die Struktur eines Sarkomers , der morphologischen und funktionellen Grundeinheit der Skelettmuskulatur, die Aktin enthält

Umriss einer Muskelkontraktion

In Muskelzellen machen Actomyosin- Myofibrillen einen Großteil des zytoplasmatischen Materials aus. Diese Myofibrillen bestehen aus dünnen Aktinfilamenten (typischerweise etwa 7 nm Durchmesser) und dicken Filamenten des Motorproteins Myosin (typischerweise etwa 15 nm Durchmesser). Diese Myofibrillen verwenden Energie, die aus ATP gewonnen wird , um Zellbewegungen wie Muskelkontraktionen zu erzeugen . Durch die Hydrolyse von ATP zur Energiegewinnung durchlaufen Myosinköpfe einen Zyklus, in dem sie sich an dünne Filamente anlagern, eine Spannung ausüben und dann je nach Belastung einen Krafthub ausführen, der die dünnen Filamente vorbeigleiten lässt und den Muskel verkürzt.

In kontraktilen Bündeln trennt das Aktin-bündelnde Protein Alpha- Actinin jedes dünne Filament um ≈35 nm. Diese Abstandsvergrößerung ermöglicht, dass dicke Filamente dazwischen passen und interagieren, wodurch eine Verformung oder Kontraktion ermöglicht wird. Bei der Deformation ist ein Ende des Myosins an die Plasmamembran gebunden , während das andere Ende zum Plus-Ende des Aktinfilaments "wandert". Dadurch wird die Membran relativ zur Zellrinde in eine andere Form gezogen . Für die Kontraktion ist das Myosin-Molekül normalerweise an zwei separate Filamente gebunden und beide Enden "laufen" gleichzeitig zum Plus-Ende ihres Filaments, wodurch die Aktinfilamente näher aneinander gleiten. Dies führt zur Verkürzung oder Kontraktion des Aktinbündels (aber nicht des Filaments). Dieser Mechanismus ist für die Muskelkontraktion und die Zytokinese , die Teilung einer Zelle in zwei, verantwortlich.

Die Rolle von Aktin bei der Muskelkontraktion

Das helikale F-Aktin-Filament in Muskeln enthält auch ein Tropomyosin- Molekül, ein 40- Nanometer- Protein, das um die F-Aktin-Helix gewickelt ist. Während der Ruhephase bedeckt das Tropomyosin die aktiven Zentren des Aktins, so dass die Aktin-Myosin-Interaktion nicht stattfinden und eine Muskelkontraktion hervorrufen kann (die Wechselwirkung führt zu einer Bewegung zwischen den beiden Proteinen, die, weil sie viele Male wiederholt wird, eine Kontraktion hervorruft) . Es gibt auch andere Proteinmoleküle an die Tropomyosin Faden gebunden ist , dazu gehören die Troponine , die drei Polymere haben: Troponin I , Troponin T und Troponin C . Die regulatorische Funktion von Tropomyosin hängt von seiner Wechselwirkung mit Troponin in Gegenwart von Ca 2+ -Ionen ab.

Sowohl Aktin als auch Myosin sind an der Muskelkontraktion und -entspannung beteiligt und machen 90 % des Muskelproteins aus. Der Gesamtprozess wird durch ein externes Signal eingeleitet, typischerweise durch ein Aktionspotential, das den Muskel stimuliert, der spezialisierte Zellen enthält, deren Inneres reich an Aktin- und Myosinfilamenten ist. Der Kontraktions-Entspannungs-Zyklus umfasst folgende Schritte:

  1. Depolarisation des Sarkolemmas und Übertragung eines Aktionspotentials durch die T-Tubuli .
  2. Öffnen des Retikulum ‚s Ca 2+ Kanäle.
  3. Erhöhung der zytosolischen Ca 2+ -Konzentration und die Wechselwirkung dieser Kationen mit Troponin verursacht eine Konformationsänderung in seiner Struktur . Dies wiederum verändert die Struktur von Tropomyosin, das das aktive Zentrum von Aktin bedeckt, was die Bildung von Myosin-Aktin-Vernetzungen ermöglicht (letztere liegen als dünne Filamente vor).
  4. Bewegung von Myosinköpfen über die dünnen Filamente, dies kann entweder ATP beinhalten oder unabhängig von ATP sein. Der erstgenannte Mechanismus, vermittelt durch die ATPase- Aktivität in den Myosinköpfen, bewirkt die Bewegung der Aktinfilamente in Richtung der Z-Scheibe .
  5. Ca 2+ -Einfang durch das sarkoplasmatische Retikulum, was zu einer neuen Konformationsänderung in Tropomyosin führt, die die Actin-Myosin-Interaktion hemmt.

Andere biologische Prozesse

Fluoreszenzbildgebung der Aktindynamik während der ersten embryonalen Zellteilung von C. elegans . Zunächst lagern sich Aktinfilamente im oberen Teil der Zelle an und tragen so zur asymmetrischen Zellteilung bei . Nach 10 s kann dann die Bildung des kontraktilen Aktinrings beobachtet werden.

Das traditionelle Bild der Aktinfunktion bezieht sich auf die Aufrechterhaltung des Zytoskeletts und damit auf die Organisation und Bewegung von Organellen sowie auf die Bestimmung der Zellform. Aktin hat jedoch neben ähnlichen Funktionen in Prokaryonten eine breitere Rolle in der eukaryotischen Zellphysiologie .

  • Zytokinese . Die Zellteilung in tierischen Zellen und Hefen beinhaltet normalerweise die Trennung der Elternzelle in zwei Tochterzellen durch die Verengung des zentralen Umfangs. Dieser Prozess beinhaltet einen sich verengenden Ring, der aus Aktin, Myosin, Anillin und α-Aktinin besteht . In der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe wird Aktin im einschnürenden Ring unter Beteiligung von Arp3 , dem Formin Cdc12, Profilin und WASp sowie vorgeformten Mikrofilamenten aktiv gebildet. Sobald der Ring aufgebaut ist, wird die Struktur durch einen kontinuierlichen Auf- und Abbau aufrechterhalten, der, unterstützt durch den Arp2/3- Komplex und Formine, der Schlüssel zu einem der zentralen Prozesse der Zytokinese ist. Die Gesamtheit des kontraktilen Rings, des Spindelapparats , der Mikrotubuli und des dichten peripheren Materials wird als "Fleming-Körper" oder "Zwischenkörper" bezeichnet.
  • Apoptose . Während des programmierten Zelltods baut die ICE/ced-3-Familie von Proteasen (eine der Interleukin-1β-Konverter-Proteasen) Aktin in vivo in zwei Fragmente ab ; eines der Fragmente ist 15 kDa und das andere 31 kDa. Dies stellt einen der Mechanismen dar, die an der Zerstörung der Lebensfähigkeit von Zellen beteiligt sind, die die Grundlage der Apoptose bilden. Es wurde auch gezeigt, dass die Protease Calpain an dieser Art der Zellzerstörung beteiligt ist; ebenso wie die Verwendung von Calpain-Inhibitoren nachweislich die Aktin-Proteolyse und den Abbau von DNA (ein weiteres charakteristisches Element der Apoptose) verringert . Auf der anderen Seite führt die stressinduzierte Auslösung der Apoptose zu einer Reorganisation des Aktinzytoskeletts (was auch seine Polymerisation beinhaltet), wodurch Strukturen entstehen, die Stressfasern genannt werden ; dies wird durch den MAP-Kinase- Weg aktiviert.
Schema einer Zonula occludens oder Tight Junction, einer Struktur, die das Epithel zweier Zellen verbindet. Aktin ist eines der grün dargestellten Verankerungselemente.
  • Zelladhäsion und -entwicklung . Die Adhäsion zwischen Zellen ist ein Merkmal mehrzelliger Organismen , das eine Gewebespezialisierung ermöglicht und somit die Zellkomplexität erhöht. An der Adhäsion von Zellepithelien sind das Aktin-Zytoskelett in jeder der verbundenen Zellen sowie Cadherine beteiligt, die als extrazelluläre Elemente fungieren, wobei die Verbindung zwischen den beiden durch Catenine vermittelt wird . Eingriffe in die Aktindynamik haben Auswirkungen auf die Entwicklung eines Organismus. Tatsächlich ist Aktin ein so entscheidendes Element, dass Systeme redundanter Gene zur Verfügung stehen. Wenn beispielsweise das α-Actinin- oder Gelierungsfaktor -Gen in Dictyostelium entfernt wurde, zeigen Individuen keinen anomalen Phänotyp, möglicherweise aufgrund der Tatsache, dass jedes der Proteine ​​die Funktion des anderen erfüllen kann. Betroffen ist jedoch die Entwicklung von Doppelmutationen , denen beide Gentypen fehlen.
  • Modulation der Genexpression . Der Polymerisationszustand von Aktin beeinflusst das Muster der Genexpression . 1997 wurde entdeckt, dass die Cytocalasin D-vermittelte Depolymerisation in Schwann-Zellen ein spezifisches Expressionsmuster für die Gene verursacht, die an der Myelinisierung dieser Art von Nervenzellen beteiligt sind . Es wurde gezeigt, dass F-Aktin das Transkriptom in einigen Lebensstadien von einzelligen Organismen, wie dem Pilz Candida albicans , modifiziert . Darüber hinaus spielen aktinähnliche Proteine ​​eine regulatorische Rolle bei der Spermatogenese bei Mäusen und bei Hefen wird angenommen, dass aktinähnliche Proteine ​​eine Rolle bei der Regulation der Genexpression spielen . Tatsächlich ist Aktin in der Lage, als Transkriptionsinitiator zu wirken, wenn es mit einer Art von Kernmyosin reagiert, das mit RNA-Polymerasen und anderen am Transkriptionsprozess beteiligten Enzymen interagiert .
  • Stereozilien- Dynamik. Einige Zellen entwickeln auf ihrer Oberfläche feine füllige Auswüchse, die eine mechanosensorische Funktion haben. Zum Beispiel ist diese Art von Organellen im Corti-Organ vorhanden , das sich im Ohr befindet . Das Hauptmerkmal dieser Strukturen ist, dass ihre Länge modifiziert werden kann. Die molekulare Architektur der Stereozilien umfasst einen parakristallinen Aktinkern im dynamischen Gleichgewicht mit den im benachbarten Zytosol vorhandenen Monomeren. Myosine vom Typ VI und VIIa sind überall in diesem Kern vorhanden, während Myosin XVa in seinen Extremitäten in Mengen vorhanden ist, die proportional zur Länge der Stereozilien sind.
  • Intrinsische Chiralität . Actomyosin-Netzwerke wurden mit der Erzeugung einer intrinsischen Chiralität in einzelnen Zellen in Verbindung gebracht. Auf chiralen Oberflächen gewachsene Zellen können einen gerichteten Links/Rechts-Bias zeigen, der Actomyosin-abhängig ist.

Molekulare Pathologie

Die Mehrheit der Säugetiere besitzt sechs verschiedene Aktin- Gene . Von diesen kodieren zwei für das Zytoskelett ( ACTB und ACTG1 ), während die anderen vier an der quergestreiften Skelettmuskulatur ( ACTA1 ), dem glatten Muskelgewebe ( ACTA2 ), der Darmmuskulatur ( ACTG2 ) und dem Herzmuskel ( ACTC1 ) beteiligt sind. Das Aktin im Zytoskelett ist an den pathogenen Mechanismen vieler Infektionserreger , einschließlich HIV, beteiligt . Die überwiegende Mehrheit der Mutationen , die Aktin betreffen, sind Punktmutationen, die eine dominante Wirkung haben , mit Ausnahme von sechs Mutationen, die an der Nemalin-Myopathie beteiligt sind . Dies liegt daran, dass die Mutante des Aktinmonomers in vielen Fällen als „Kappe“ wirkt, indem sie die Verlängerung von F-Aktin verhindert.

Pathologie im Zusammenhang mit ACTA1

ACTA1 ist das Gen, das für die α- Isoform von Aktinkodiert, diein der quergestreiften Skelettmuskulatur des Menschen vorherrscht, obwohl sie auch im Herzmuskel und in der Schilddrüse exprimiert wird . Seine DNA-Sequenz besteht aus sieben Exons , die fünf bekannte Transkripte produzieren . Die meisten davon bestehen aus Punktmutationen, die eine Substitution von Aminosäuren bewirken. Die Mutationen sind in vielen Fällen mit einem Phänotyp verbunden , der die Schwere und den Verlauf des Leidens bestimmt.

Riesige Nemalin-Stäbchen, die durch die Transfektion einer DNA-Sequenz von ACTA1 produziert werden , die Träger einer Mutation ist, die für Nemalin-Myopathie verantwortlich ist

Die Mutation verändert die Struktur und Funktion der Skelettmuskulatur und führt zu einer von drei Formen der Myopathie : Typ-3- Nemaline-Myopathie , kongenitale Myopathie mit einem Überschuss an dünnen Myofilamenten (CM) und kongenitale Myopathie mit Fasertyp-Disproportion (CMFTD). Es wurden auch Mutationen gefunden, die Kernmyopathien erzeugen . Obwohl ihre Phänotypen ähnlich sind, unterscheiden einige Spezialisten neben der typischen Nemalin-Myopathie eine andere Art von Myopathie, die als aktinische Nemalin-Myopathie bezeichnet wird. Bei ersteren bilden sich anstelle der typischen Stäbchen Aktinklumpen. Es ist wichtig zu betonen, dass ein Patient in einer Biopsie mehr als einen dieser Phänotypen aufweisen kann . Die häufigsten Symptome sind eine typische Gesichtsmorphologie (myopathische Fazies ), Muskelschwäche, eine verzögerte motorische Entwicklung und Atembeschwerden. Der Krankheitsverlauf, ihre Schwere und das Alter, in dem sie auftritt, sind variabel und es werden auch überlappende Formen der Myopathie gefunden. Ein Symptom der Nemalin-Myopathie ist, dass „Nemaline-Stäbchen“ an unterschiedlichen Stellen in Typ-1-Muskelfasern auftreten. Diese Stäbchen sind nicht- pathognomonische Strukturen, die eine ähnliche Zusammensetzung wie die im Sarkomer gefundenen Z-Scheiben haben .

Die Pathogenese dieser Myopathie ist sehr vielfältig. Viele Mutationen treten in der Region der Einrückung des Aktins in der Nähe seiner Nukleotidbindungsstellen auf, während andere in Domäne 2 oder in den Bereichen auftreten, in denen eine Wechselwirkung mit assoziierten Proteinen stattfindet. Dies erklärt die große Vielfalt an Klumpen, die sich in diesen Fällen bilden, wie zum Beispiel Nemalin- oder intranukleäre Körper oder Zebrakörper. Änderungen in Aktin der Falten treten in Nemalin Myopathie sowie Veränderungen in ihrer Zusammenstellung und gibt es auch in den Veränderungen Expression von anderen assoziierten Proteinen. Bei einigen Varianten, bei denen intranukleäre Körper gefunden werden, maskieren die Veränderungen in der Faltung das Proteinexportsignal des Zellkerns, so dass die Akkumulation der mutierten Form des Aktins im Zellkern stattfindet . Andererseits scheint es, dass Mutationen von ACTA1 , die zu einem CFTDM führen, einen größeren Einfluss auf die sarkomerische Funktion als auf seine Struktur haben. Neuere Untersuchungen haben versucht, dieses scheinbare Paradoxon zu verstehen, das darauf hindeutet, dass es keinen klaren Zusammenhang zwischen der Anzahl der Stäbchen und der Muskelschwäche gibt. Es scheint, dass einige Mutationen in der Lage sind, eine höhere Apoptoserate in Typ-II-Muskelfasern zu induzieren .

Position von sieben Mutationen, die für die verschiedenen Aktinopathien im Zusammenhang mit ACTA1 . relevant sind

In glatter Muskulatur

Es gibt zwei Isoformen, die für Aktine in der glatten Muskulatur kodieren :

ACTG2 kodiert für die größte Actin-Isoform, die neun Exons besitzt , von denen eines, das am 5'-Ende gelegene, nicht translatiert wird . Es ist ein γ-Aktin, das in der magensaftresistenten glatten Muskulatur exprimiert wird. Es wurden keine Mutationen dieses Gens gefunden, die einer Pathologie entsprechen, obwohl Mikroarrays gezeigt haben, dass dieses Protein häufiger in Fällen exprimiert wird, die gegen eine Chemotherapie mit Cisplatin resistent sind.

ACTA2 kodiert für ein α-Aktin, das sich in der glatten Muskulatur und auch in der vaskulären glatten Muskulatur befindet. Es wurde festgestellt, dass die MYH11-Mutation für mindestens 14% der hereditären thorakalen Aortenaneurismen, insbesondere Typ 6, verantwortlich sein könnte. Dies liegt daran, dass die mutierte Variante eine falsche Filamentanordnung und eine verringerte Kapazität für die Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur erzeugt. Bei diesen Personen wurde eineDegradation der Aortenmedia mit Bereichen von Desorganisation und Hyperplasie sowie Stenose der vasa vasorum der Aorta beobachtet. Die Zahl der Leiden, an denen das Gen beteiligt ist, nimmt zu. Es hat sichZusammenhang Moyamoya - Krankheit und es scheint wahrscheinlichdass bestimmte Mutationen in Heterozygotie könnte eine Prädisposition für viele Gefäßerkrankungen, wie thorakalen Aortenaneurysmen und verleihen der ischämischen Herzkrankheit . Auch das in der glatten Muskulatur gefundene α-Aktin ist ein interessanter Marker zur Beurteilung des Fortschreitens einer Leberzirrhose .

Im Herzmuskel

Das ACTC1- Gen kodiert für die im Herzmuskel vorhandene α-Aktin-Isoform. Es wurde erstmals 1982 von Hamada und Mitarbeitern sequenziert, als sich herausstellte, dass es von fünf Introns unterbrochen ist. Es war das erste der sechs Gene, bei denen Allele gefunden wurden, die an pathologischen Prozessen beteiligt sind.

Querschnitt einer Rattenherz , die Anzeichen von zeigt dilatative Kardiomyopathie

Eine Reihe von strukturellen Störungen, die mit Punktmutationen dieses Gens verbunden sind, wurden beschrieben, die eine Fehlfunktion des Herzens verursachen, wie z. B. dilatative Kardiomyopathie Typ 1R und hypertrophe Kardiomyopathie Typ 11 . Vor kurzem wurden bestimmte Defekte des Vorhofseptums beschrieben, die ebenfalls mit diesen Mutationen zusammenhängen könnten.

Zwei Fälle von dilatativer Kardiomyopathie wurden untersucht , die eine Substitution von hochkonservierten Aminosäuren beinhalten , die zu den Proteindomänen gehören , die an die Z - Scheiben binden und sich mit diesen durchsetzen . Dies hat zu der Theorie geführt, dass die Dilatation durch einen Defekt in der Übertragung der Kontraktionskraft in den Myozyten verursacht wird .

Die Mutationen in ACTC1 sind für mindestens 5 % der hypertrophen Kardiomyopathien verantwortlich. Die Existenz einer Reihe von Punktmutationen wurde auch gefunden:

  • Mutation E101K: Änderungen der Nettoladung und Bildung einer schwachen elektrostatischen Bindung in der Aktomyosin-Bindungsstelle.
  • P166A: Wechselwirkungszone zwischen Aktinmonomeren.
  • A333P: Actin-Myosin-Interaktionszone.

Die Pathogenese scheint einen kompensatorischen Mechanismus zu beinhalten: Die mutierten Proteine ​​wirken wie Toxine mit dominanter Wirkung und verringern die Kontraktionsfähigkeit des Herzens, was zu einem abnormalen mechanischen Verhalten führt, so dass die normalerweise verzögerte Hypertrophie eine Folge der normalen Reaktion des Herzmuskels auf Stress ist .

Jüngste Studien haben ACTC1-Mutationen entdeckt, die an zwei anderen pathologischen Prozessen beteiligt sind: Infantile idiopathische restriktive Kardiomyopathie und Nichtverdichtung des linksventrikulären Myokards .

Bei zytoplasmatischen Aktinen

ACTB ist ein hochkomplexer Locus . Esgibteine Reihe von Pseudogenen , die über das Genom verteilt sind, und ihre Sequenz enthält sechs Exons, die durch alternatives Spleißen zu bis zu 21 verschiedenen Transkriptionen führen können, die als β-Aktine bekannt sind. Entsprechend dieser Komplexität finden sich auch seine Produkte an vielen Stellen und sind Teil verschiedenster Prozesse ( Zytoskelett , NuA4- Histon- Acyltransferase-Komplex, Zellkern ) und darüber hinaus mit den Mechanismen einer großen Zahl verbunden pathologischer Prozesse (u. a. Karzinome , juvenile Dystonie , Infektionsmechanismen,Fehlbildungen des Nervensystems und Tumorinvasion). Eine neue Form von Actin wurde entdeckt, kappa Aktin, das für β-Aktin in Verfahren in Zusammenhang mit substituieren erscheint Tumoren .

Bild aufgenommen mit konfokaler Mikroskopie und unter Verwendung spezifischer Antikörper, die das kortikale Netzwerk von Aktin zeigen. Ebenso wie bei der juvenilen Dystonie eine Unterbrechung der Strukturen des Zytoskeletts vorliegt , wird es in diesem Fall von Zytochalasin D produziert .

Bisher wurden drei pathologische Prozesse entdeckt, die durch eine direkte Veränderung der Gensequenz verursacht werden:

Der ACTG1- Locus kodiert für das zytosolische γ-Aktin-Protein, das für die Bildung von Mikrofilamenten des Zytoskeletts verantwortlich ist . Es enthält sechs Exons , aus denen 22 verschiedene mRNAs entstehen , die vier vollständige Isoformen produzieren , deren Expressionsform wahrscheinlich von der Art des Gewebes abhängt , in dem sie sich befinden . Außerdem hat es zwei verschiedene DNA - Promotoren . Es wurde festgestellt, dass die von diesem Locus und von dem von β-Aktin übersetzten Sequenzen den vorhergesagten sehr ähnlich sind, was auf eine gemeinsame Vorfahrensequenz hindeutet, die Duplizierung und genetische Umwandlung erlitten hat.

In Bezug auf die Pathologie wurde es mit Prozessen wie Amyloidose , Retinitis pigmentosa , Infektionsmechanismen, Nierenerkrankungen und verschiedenen Arten von angeborenem Hörverlust in Verbindung gebracht.

Es wurde festgestellt, dass sechs autosomal-dominante Punktmutationen in der Sequenz verschiedene Arten von Hörverlust verursachen, insbesondere Schallempfindungsschwerhörigkeit im Zusammenhang mit dem DFNA 20/26-Locus. Es scheint, dass sie die Stereozilien der Flimmerzellen beeinflussen, die im Corti - Organ des Innenohrs vorhanden sind . β-Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein im menschlichen Gewebe, aber in Flimmerzellen ist es nicht sehr häufig, was den Ort der Pathologie erklärt. Andererseits scheint es, dass die Mehrheit dieser Mutationen die Bereiche beeinflusst, die an der Verknüpfung mit anderen Proteinen, insbesondere Actomyosin, beteiligt sind. Einige Experimente haben gezeigt, dass der pathologische Mechanismus für diese Art von Hörverlust darauf zurückzuführen ist, dass das F-Aktin in den Mutationen empfindlicher auf Cofilin reagiert als normal.

Obwohl kein Fall bekannt ist, ist jedoch bekannt, dass γ-Aktin auch in der Skelettmuskulatur exprimiert wird, und obwohl es in geringen Mengen vorhanden ist, haben Modellorganismen gezeigt, dass sein Fehlen zu Myopathien führen kann.

Andere pathologische Mechanismen

Einige Infektionserreger verwenden in ihrem Lebenszyklus Aktin, insbesondere zytoplasmatisches Aktin . In Bakterien kommen zwei Grundformen vor :

  • Listeria monocytogenes , einige Arten von Rickettsia , Shigella flexneri und andere intrazelluläre Keime entweichen aus phagozytischen Vakuolen, indem sie sich selbst mit einer Kapsel aus Aktinfilamenten überziehen. L. monocytogenes und S. flexneri erzeugen beide einen Schweif in Form eines "Kometenschweifs", der ihnen Mobilität verleiht. Jede Spezies weist kleine Unterschiede im molekularen Polymerisationsmechanismus ihrer "Kometenschwänze" auf. Es wurden unterschiedliche Verdrängungsgeschwindigkeiten beobachtet, beispielsweise mit Listeria und Shigella , die am schnellsten sind. Viele Experimente haben diesen Mechanismus in vitro gezeigt . Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien keinen Myosin-ähnlichen Proteinmotor verwenden, und es scheint, dass ihr Antrieb aus dem Druck stammt, der durch die Polymerisation in der Nähe der Zellwand des Mikroorganismus ausgeübt wird. Die Bakterien wurden zuvor von ABPs des Wirts umgeben, und die Hülle enthält mindestens den Arp2/3-Komplex , Ena/VASP-Proteine , Cofilin, ein Pufferprotein und Keimbildungspromotoren, wie den Vinculin- Komplex. Durch diese Bewegungen bilden sie Ausstülpungen, die die Nachbarzellen erreichen und diese ebenfalls infizieren, sodass das Immunsystem die Infektion nur noch durch Zellimmunität bekämpfen kann. Die Bewegung könnte durch die Modifikation der Krümmung und die Entzweigung der Filamente verursacht werden. Andere Spezies, wie Mycobacterium marinum und Burkholderia pseudomallei , sind ebenfalls zur lokalisierten Polymerisation von zellulärem Aktin in der Lage, um ihre Bewegung durch einen Mechanismus zu unterstützen, der auf dem Arp2/3-Komplex zentriert ist. Darüber hinaus verwendet das Impfvirus Vaccinia auch Elemente des Aktin-Zytoskeletts für seine Verbreitung.
  • Pseudomonas aeruginosa ist in der Lage, einen schützenden Biofilm zu bilden, um denAbwehrmechanismen des Wirtsorganismus , insbesondere weißen Blutkörperchen und Antibiotika , zu entgehen. Der Biofilm wird aus DNA und Aktinfilamenten des Wirtsorganismus aufgebaut.

Zusätzlich zu dem zuvor genannten Beispiel wird die Aktinpolymerisation in den Anfangsschritten der Internalisierung einiger Viren, insbesondere HIV , stimuliert , indem beispielsweise der Cofilinkomplex inaktiviert wird.

Die Rolle, die Aktin beim Invasionsprozess von Krebszellen spielt, ist noch immer nicht geklärt.

Evolution

Das eukaryotische Zytoskelett von Organismen aller taxonomischen Gruppen hat ähnliche Komponenten wie Aktin und Tubulin. Zum Beispiel ist das Protein, das vom ACTG2- Gen beim Menschen kodiert wird, vollständig äquivalent zu den in Ratten und Mäusen vorhandenen Homologen , obwohl die Ähnlichkeit auf Nukleotidebene auf 92% abnimmt. Es gibt jedoch große Unterschiede zu den Äquivalenten in Prokaryoten ( FtsZ und MreB ), bei denen die Ähnlichkeit zwischen den Nukleotidsequenzen zwischen 40–50 % zwischen verschiedenen Bakterien- und Archaea- Spezies liegt. Einige Autoren vermuten, dass das angestammte Protein, aus dem das eukaryotische Modellaktin hervorgegangen ist, den Proteinen ähnelt, die in modernen bakteriellen Zytoskeletten vorhanden sind.

Struktur von MreB , einem bakteriellen Protein, dessen dreidimensionale Struktur der von G-Actin . ähnelt

Einige Autoren weisen darauf hin, dass das Verhalten von Aktin, Tubulin und Histon , einem Protein, das an der Stabilisierung und Regulierung der DNA beteiligt ist, in ihrer Fähigkeit, Nukleotide zu binden, und in ihrer Fähigkeit, die Brownsche Bewegung zu nutzen, ähnlich ist . Es wurde auch vermutet, dass sie alle einen gemeinsamen Vorfahren haben. Daher evolutionäre führte Prozesse bei der Diversifizierung der Ahnen-Proteine in die Gegenwart heute Sorten, die Erhaltung, unter anderem Actine so effizient Moleküle , die konnten wesentliche Vorfahren biologische Prozesse, wie zum Beispiel angehen Endozytose .

Äquivalente in Bakterien

Das bakterielle Zytoskelett ist möglicherweise nicht so komplex wie das von Eukaryoten ; es enthält jedoch Proteine, die Aktinmonomeren und -polymeren sehr ähnlich sind. Das bakterielle Protein MreB polymerisiert zu dünnen nicht-helikalen Filamenten und gelegentlich zu helikalen Strukturen ähnlich dem F-Aktin. Darüber hinaus ist seine kristalline Struktur der von G-Aktin sehr ähnlich (in Bezug auf seine dreidimensionale Konformation), es gibt sogar Ähnlichkeiten zwischen den MreB-Protofilamenten und F-Aktin. Das bakterielle Zytoskelett enthält auch die FtsZ- Proteine, die dem Tubulin ähnlich sind .

Bakterien besitzen daher ein Zytoskelett mit zu Aktin homologen Elementen (zB MreB , AlfA, ParM , FtsA und MamK), obwohl die Aminosäuresequenz dieser Proteine ​​von der in tierischen Zellen abweicht. Solche Proteine ​​weisen jedoch eine hohe strukturelle Ähnlichkeit mit eukaryontischem Aktin auf. Die durch die Aggregation von MreB und ParM gebildeten hochdynamischen Mikrofilamente sind essentiell für die Lebensfähigkeit der Zellen und an der Zellmorphogenese, Chromosomensegregation und Zellpolarität beteiligt. ParM ist ein Aktin-Homolog, das in einem Plasmid kodiert ist und an der Regulation der Plasmid-DNA beteiligt ist. ParMs aus verschiedenen bakteriellen Plasmiden können erstaunlich unterschiedliche helikale Strukturen bilden, die aus zwei oder vier Strängen bestehen, um eine getreue Plasmidvererbung aufrechtzuerhalten.

Anwendungen

Aktin wird in wissenschaftlichen und technologischen Labors als Spur für molekulare Motoren wie Myosin (entweder im Muskelgewebe oder außerhalb davon) und als notwendiger Bestandteil für die Zellfunktion verwendet. Es kann auch als Diagnosewerkzeug verwendet werden, da einige seiner anomalen Varianten mit dem Auftreten bestimmter Pathologien zusammenhängen.

  • Nanotechnologie . Aktin-Myosin-Systeme fungieren als molekulare Motoren, die den Transport von Vesikel und Organellen durch das Zytoplasma ermöglichen. Es ist möglich, dass Aktin in der Nanotechnologie angewendet werden könnte, da seine dynamische Fähigkeit in einer Reihe von Experimenten genutzt wurde, einschließlich solcher, die in azellulären Systemen durchgeführt wurden. Die zugrundeliegende Idee besteht darin, die Mikrofilamente als Spuren zu verwenden, um molekulare Motoren zu führen, die eine bestimmte Last transportieren können. Das heißt, Aktin könnte verwendet werden, um einen Kreislauf zu definieren, entlang dem eine Last mehr oder weniger kontrolliert und gerichtet transportiert werden kann. In Bezug auf allgemeine Anwendungen könnte es für den gezielten Transport von Molekülen zur Ablagerung an bestimmten Orten verwendet werden, was den kontrollierten Aufbau von Nanostrukturen ermöglichen würde. Diese Attribute könnten auf Laborprozesse wie auf Lab-on-a-Chip , in der Nanokomponentenmechanik und in Nanotransformatoren angewendet werden, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Western Blot für zytoplasmatisches Aktin aus Rattenlunge und Nebenhoden
  • Aktin wird als interne Kontrolle in Western Blots verwendet , um sicherzustellen , dass gleiche Mengen an Protein auf jede Spur des Gels geladen wurden. In dem auf der linken Seite gezeigten Blot-Beispiel wurden 75 ug Gesamtprotein in jede Vertiefung geladen. Der Blot wurde mit Anti-β-Aktin-Antikörper umgesetzt (weitere Details zum Blot siehe Referenz)

Die Verwendung von Aktin als interne Kontrolle basiert auf der Annahme, dass seine Expression praktisch konstant und unabhängig von experimentellen Bedingungen ist. Durch Vergleich der Expression des interessierenden Gens mit der des Aktins ist es möglich, eine relative Menge zu erhalten, die zwischen verschiedenen Experimenten verglichen werden kann, wenn die Expression des letzteren konstant ist. Es sei darauf hingewiesen , dass Aktin nicht immer die gewünschte Stabilität in seiner Genexpression aufweist .

  • Die Gesundheit. Einige Aktinallele verursachen Krankheiten; Aus diesem Grund wurden Techniken zu ihrem Nachweis entwickelt. Darüber hinaus kann Aktin als indirekter Marker in der chirurgischen Pathologie verwendet werden: Es ist möglich, Variationen in seinem Verteilungsmuster im Gewebe als Marker für die Invasion bei Neoplasie , Vaskulitis und anderen Erkrankungen zu verwenden. Aufgrund der engen Verbindung von Aktin mit dem Muskelkontraktionsapparat verringert sich außerdem sein Spiegel in der Skelettmuskulatur, wenn diese Gewebe atrophieren , und kann daher als Marker für diesen physiologischen Prozess verwendet werden.
  • Lebensmitteltechnologie . Es ist möglich, die Qualität bestimmter verarbeiteter Lebensmittel, wie z. B. Wurst , zu bestimmen , indem die Menge an Aktin im Fleischbestandteil quantifiziert wird. Traditionell wurde ein Verfahren verwendet, das auf dem Nachweis von 3-Methylhistidin in hydrolysierten Proben dieser Produkte basiert , da diese Verbindung in Aktin und der schweren Kette von F-Myosin (beide Hauptkomponenten des Muskels) vorhanden ist. Die Bildung dieser Verbindung im Fleisch leitet sich von der Methylierung von Histidinresten ab, die in beiden Proteinen vorhanden sind.

Gene

Zu den menschlichen Genen, die Aktinproteine ​​codieren, gehören:

  • ACTA1  – Alpha-Aktin 1, Skelettmuskulatur
  • ACTA2  – Alpha-Aktin 2, glatte Muskulatur, Aorta
  • ACTB  — Beta-Aktin
  • ACTC1  — Aktin, Alpha, Herzmuskel 1
  • ACTG1  — Gamma-Aktin 1
  • ACTG2  — Gamma-Aktin 2, glatte Muskulatur, enterisch

Siehe auch

Verweise

Externe Links