Опорно-двигательный аппарат одноклеточных свободноживущих

 

2 Актин  связывающие белки

Однако в живой клетке процесс полимеризации актина может быть не похож на круговорот мономеров в пробирке, поскольку полярные концы актинового филамента могут быть несвободными. В клетке присутствуют десятки так называемых актин связывающих белков, или  так называемых актиноподобных белков (actin-related proteins, Arp), гомология которых с актином составляет от 30 до 60%.  Эти белки могут определять процесс полимеризации актина.

 Различают несколько  подсемейств таких белков: Arp1, Arp2, Arp3 и др. Белки Arp2 и Arp3 поодиночке не взаимодействуют с актином,  однако два этих белка входят в состав так называемого Arp2\3-комплекса, содержащего помимо этих белков еще пять или шесть (в зависимости от организма) белков с молекулярными массами от 16 до 47 кДа. Этот комплекс  является ключевой компонентой в понимании природы образования разветвленной сети филаментов и впервые был выделен из Acanthamoeba.

 Arp2\3-комплекс также как и актин очень консервативен и присутствует у всех исследованных организмов от дрожжей до человека (для растений таких данных пока нет). В живых клетках этот комплекс накапливается в  местах, где происходит быстрая полимеризация актина, в клетках простейших это разного рода псевдоподии.

Комплекс Arp2/3 связывается  с боковыми поверхностями актиновых  филаментов и к их минус - концам и стимулирует образование 70-градусной разветвленной структуры на первоначально образовавшихся филаментах (Рис.4).

 

Рис. 4: А). Актиновые филаменты in vivo образуют разветвленную сеть с У-образной структурой с углом около 70 градусов. Ветвящиеся филаменты окрашены цианом (синим). Вставка показывает индивидуальное У-соединение между актиновыми филаментами после мечения на комплекс Arp2/3. Arp2/3 помечен антителами, конъюгированными с 10нм золотом (выделено желтым цветом). Комплекс Arp2/3 закреплен в месте соединения.

(В) Реконструкция in vitro. Актин,  полимеризовавшийся в присутствии Arp2/3 комплекса образует разветвленные филаменты с 70-градусной структурой и Arp2/3 локализован в месте У-соединения, что идентично наблюдаемому in vivo.

 

 

Помимо актина в псевдоподиях содержится еще ряд белков:  альфа-актинин,  филамин,  талин, фимбрин,  кальдесмон.  Известны также актин связывающие белки без каких-либо определенных функций,  несомненно также, что существуют еще не открытые актин-связывающие белки. 

Альфа-актинин связывает  актиновые филаменты в пучки  и сети in vitro и локализуется в ламеллиподии. Различные изоформы частично разделяются пространственно между разными областями локализации актина, так актинин 1 и актинин 4 локализуются в рафлах. Клетки диктиоселиума, лишенные альфа-актина, не обнаруживают дефектов двигательной активности за исключением клеток с отсутствием гомолога филамина, что заставляет предположить структурную совместимость этих кросслинкеров в ламеллиподии. В синтетических кометных хвостах актина недостаток альфа-актинина проявляется в образовании менее компактной структуры хвоста, подтверждая кросслинкующую функцию этого белка.

В псевдоподиях простейших также  находится целый набор белков миозинового семейства. Так, из Acanthamoeba castellanii впервые был выделен миозин 1. В отличие от миозинов 2 с двумя головками и фибриллярным хвостом, он содержит только одну головку и имеет очень короткий нефибриллярный хвост. Кроме того, он не способен полимеризоваться. Он состоит из одной тяжелой и одной легкой полипептидных цепей. Для активации миозина 1 необходимо фосфорилирование его головного домена, которое осуществляется специфической киназой. Кроме основного актин-связывающего участка на головном домене, миозин 1 содержит также дополнительный актин-связывающий сайт на хвосте молекулы. Благодаря наличию этого сайта, миозин 1 может сшивать актиновые филаменты в гель.

 Вслед за первым  наблюдением наличия миозина 1 в Dictyostelium несколько не участвующих в формировании филаментов членов миозинового семейства были обнаружены в ламеллиподиях и филоподиях. Существенно, что миозин 4 движется в направлении актина, т.е. в противоположном, чем все другие известные миозины, что поднимает вопрос относительно его функции. Альтернативной ролью для миозина 4 может быть организация актиновых филаментов, возможно как кофактора упаковки филаментов вместе начиная с точки роста (вроде замка молнии) при генерации.

Было установлено, что  белки Rho-семейства , Cdc42 и Rac, работают как сигналы при образовании филоподий и ламеллоподий соответственно. Белки семейства WASP обеспечивают потенциальную связь между этими сигнальными молекулами и актиновым цитоскелетом. Генетические данные показывают, что N-концы WASP и N-WASP включают места присоединения для малых ГТФаз и могут прямо связывать Cdc42 и, менее интенсивно, Rac.

В целом, форма псевдоподии определяется тем, с какими белками свяжутся вновь возникшие микрофиламенты. Так клетки одной из линий клеток в культуре выпячивают на поверхности лишь шаровидные пузыри, но не ламеллоподии. Оказалось, что в геноме этих клеток отсутствовал ген, кодирующий белок, который связывает актиновые микрофиламенты в сеть. Специальными методами генной инженерии исследователи ввели в клетки недостающий ген, и тогда клетки стали делать не пузыри, а уплощенные ламеллоподии. Таким образом, появление в актиновом кортексе одного дополнительного белка направленно изменило архитектуру псевдоподий. 

Множество подобных взаимодействий между актин связывающими белками обусловливает необычайное многообразие актиновых структур во всех эукариотических клетках.

 

 

 

 

 

Теории  амебоидного движения

Хотя молекулярные процессы динамики цитоскелета простейших при амебоидном движении достаточно изучены, исследователи до сих пор не пришли к единому мнению  относительно движущей силы, осуществляющей продвижение вперед конца псевдоподии, на этот счет  имеются различные гипотезы.

Различные идеи об амебоидном движении высказывались еще в 19в., задолго до открытия сократительных белков и позже были оформлены в двух взаимоисключающих теориях – Маста и Аллена.

Согласно теории Маста  у движущейся амебы происходит непрерывное  сокращение заднего, эктоплазматического, конца и вдоль тела создается  градиент гидростатического давления, вызывающий течение плазмозоля к переднему концу, где в результате образуется псевдоподия.

По мере сокращения плазмогель хвостовой части реконструируется в плазмозоль, а на переднем конце  происходит обратный процесс: плазмозоль, заворачиваясь к мембране, желатинируется. Таким образом, эктоплазматическая трубка непрерывно разрушается на заднем конце клетки и надстраивается на ее фронте. Согласно этому представлению  само течение эндоплазмы и образование  псевдоподии происходит пассивно.

Гипотеза Маста господствовала почти 40 лет, пока не накопился ряд  фактов, которые она не объясняла.  Прежде всего эта гипотеза требует наличия довольно сложной системы управления. К примеру для фагоцитоза пищевых частиц информация от места рецепции на фронте должна передаваться к хвосту, сокращение которого уже затем может гидродинамически вызывать образование псевдоподии в месте рецепции, хотя хвостовое сокращение будет приводить к растяжению всех эластичных участков.

Друга идея, предложенная Алленом, называется гипотезой сокращения в  зоне фонтанирования. Аллен приписал активные свойства самой эндоплазме, которая, по его мнению, состоит из аксиальной гелеобразной части и более жидкой периферической части, образующей зону смещения между аксиальной протоплазмой и эктоплазмой. Аксиальная эндоплазма представляет собой актомиозиновый гель, который способен сокращаться во фронтальной зоне псевдоподии и подтягивать остальную часть.

Приведенные рассуждения  по сути не являются теориями, а скорее, представлениями о том, как могла бы двигаться амеба, если бы активность приписывалась только определенным ее частям. Сократительные белки присутствуют в любом месте клетки, и проблема амебоидного движения по сути заключается в организации системы управления.

В настоящее время предложено несколько моделей роста псевдоподий.

 Во-первых, предполагается, что полимеризующиеся актиновые  филаменты сами толкают мембрану  вперед. В пользу этого свидетельствует  ориентация актиновых филаментов  в активном крае - быстро растущим (оперенным) концом вперед. Возможность такого механизма продемонстрирована на другой модели - образовании акросомального отростка в активированных сперматозоидах иглокожих. Показано, что энергии, высвобождаемой при связанном с полимеризацией актина гидролизе АТФ, достаточно для совершения такой работы.

Вариантом описанного механизма  является продвижение псевдоподии  за счет формирования плотного геля из поперечно связанных друг с другом актиновых филаментов. В этой теории псевдоподия рассматривается как пористое тело, построенное из сети актиновых нитей, в котором мономеры актина транспортируются к ее концу и добавляются к концам F-актина только за счет процессов диффузии и конвективного переноса. Таким образом основная гипотеза состоит в том, что сама полимеризация актина является движущей силой для продвижения передней мембраны псевдоподии вперед и что скорость роста псевдоподии контролируется только актин связывающими белками.

Другой вариант заключается  в том, что обнаруженный в псевдоподиях миозин I может осуществлять скольжение полимеризованных актиновых филаментов вперед. Против этого механизма свидетельствует полярность актиновых филаментов в псевдоподиях, поскольку миозин двигает актин острым концом вперед, то есть должен отодвигать актин от края псевдоподии. Предположительно роль миозина в движении заключается в том, что сразу после выбрасывания псевдоподия содержит лишь актин, а миозин II проникает в псевдоподию (диффундирует) из внутренней части клетки лишь несколько минут спустя. Взаимодействие миозинов с актиновыми нитями вызывает сокращение псевдоподии. Это сокращение может иметь разные последствия для клетки. Если псевдоподия не прикреплена к подложке, она втягивается и исчезает.

 Отсутствие структурных  критериев не позволяет решить, существует ли обособленная механо-химическая система, обеспечивающая амебоидное движение.

Предлагаемые теории не исключают  друг друга, а иногда даже дополняют  одна другую. Очень мало вероятно, что какая-либо из этих теорий может быть применима ко всем видам амеб.

 

 

 

 

 

Заключение

В данной работе мы рассмотрели  роль цитоскелета как двигательного аппарата клеток простейших на примере амебоидного движения.

 Организация движения  клетки - лишь одна из многочисленных  функций цитоскелета во всех эукариотических клетках. Цитоскелетные нити являются также опорным каркасом клетки, ее скелетом.  Цитоскелет, наряду с клеточной мембраной, играет ключевую роль в обобщении и запоминании результатов реакций на внешние воздействия и в определении поведения клетки. Эту функцию можно сравнить с деятельностью мозга.  Он также является двигательным аппаратом органелл, в чем-то аналогичным системе кровообращения многоклеточного организма.

Однако вопрос о функциях многих филаментов еще неясен, например, недавно группа исследователей методами генной инженерии получила линию  мышей, у которых из генома был удален ген виментина, белка, из которого сделаны промежуточные филаменты во всех клетках костей, хряща, соединительной ткани, клеток крови и костного мозга. Такие "безвиментиновые" мыши развивались совершенно нормально, и разнообразные пробы на строение и функции разных тканей не обнаружили у них никаких дефектов. Зачем же в столь многих клетках существуют многочисленные виментиновые филаменты? Вероятно, они играют какую-то важную роль, но мы сегодня еще не придумали эксперимент, который выявил бы эту роль.

Стоит отметить и еще одну особенность цитоскелета - его изменения  наблюдаются в раковых клетках. Раковые клетки часто демонстрируют повышенную способность к движению. Более того, распространение метастазов зависит от опухолевых клеток, которые поражают соседние ткани.  Существенная роль цитоскелета в пролиферации клеток явилась причиной использования антираковых лекарств, ингибирующих цитоскелет. Все это говорит о важности более глубокого изучения процессов происходящих в цитоскелете  и, следовательно, науке предстоит решение еще многих и многих вопросов относительно цитоскелета эукариотических клеток.

 

Неоспорима также важность дальнейшего изучения амебоидного движения. Оно даст более полное понимание не только механизмов функционирования простейших организмов, но также и организма человека. Например, фагоцитарная функция лейкоцитов или миграция клеток нервного гребня в эмбриогенезе — важнейшие физиологические процессы, зависящие от амебоидной формы движения. 

Библиографический список

Актин: полимеризация  http://medbiol.ru/medbiol/cytology/00215c12.htm

 Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб.  и доп. Т. 2.: Пер. с англ.- М.: Мир, 1993.

 Догель В.А. Зоология  беспозвоночных: Учебник для ун-тов/  Под ред. проф. Полянского Ю.И. – 7-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Школа, 1981.

 Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. 1. Живые нити // Соросовский     Образовательный Журнал. 1996. №2.

 Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. 2. Цитоскелет, способный чувствовать и помнить // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. №4.

 Ефремов Кирилл Поведение клетки, слезающей с ветки. http://www.wsyachina.narod.ru/biology/behaviour_cells.html

 Каппуччинелли. П.  Подвижность живых клеток  ред. Б. Ф. Поглазов;                      пер. Н. А. Габелова. - М.: Мир, 1982. 

 Клячко Н.Л. Биологическая подвижность и полимеризация актина.  Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=3771

 Морозова А.В., Сковородкин И.Н., Хайтлина С.Ю., Малинин А.Ю. Использование актинспецифической  протеазы ЕСР32  для изучения механизма амебоидного движения. http://www.library.biophys.msu.ru/gettext?Serial=1559

 Романовский Ю.М., Теплов В.А.  Физические основы клеточного движения. Механизмы самоорганизации амебоидной подвижности.// Успехи физических наук. Т165, 5 (1995).

 Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию: учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. / Ю.С. Ченцов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.

 Chhabra  ES., Higgs HN. The many faces of actin: matching assembly factors with cellular structures. //Nat Cell Biol. 2007 Oct; 9(10):1110-21. doi:10.1038/ncb1007-1110 http://www.nature.com/ncb/journal/v9/n10/abs/ncb1007-1110.html#top

Grebecki  Andrzej  Two-directional pattern of movements on the cell surface of Аmoeba Рroteus // J. Cell Sci. 83, 23-35 (1986) Printed in Great Britain © The Company of Biologists Limited 1986 http://jcs.biologists.org/cgi/reprint/83/1/23.pdf