Посещений:
Микротрубочки

Кортикальный Захват

Cortical control of microtubule stability and polarization
Gregg G Gundersen , Edgar R Gomes and Ying Wen
Current Opinion in Cell Biology
Volume 16, Issue 1 , February 2004, Pages 106-112

In both dividing and interphase cells, microtubules are remodeled in response to signal transduction pathways triggered by a variety of stimuli. Members of the Rho family of small GTPases have emerged as key intermediates in transmitting signals to cortical factors that mediate capture of dynamic microtubules at specific sites. The specificity of cortical capture appears to be controlled by microtubule tip proteins and cortical receptors that bind these proteins. Recent studies suggest that some of the proteins interacting with microtubule tips behave as bridging proteins between the microtubule tip proteins and their cortical receptors. Such bridging proteins may enhance cortical capture of microtubules directly or indirectly through interactions with the actin cytoskeleton.

Рис.1.  |  Summary of cortical receptors, bridging proteins and MT tip proteins.
Models for the role of bridging proteins in MT capture. In the indirect model, the MT tip protein interacts with a bridging protein that guides the MT to the cortical receptor by interacting with an actin filament. In the direct model, the bridging protein interacts with the MT tip protein and the cortical receptor.

Табл.1 Summary of the signals and their molecular targets for regulating MT–cortex interaction in different systems.

? indicates a possible or unknown candidate.

Табл.2 Summary of cortical receptors, bridging proteins and MT tip proteins.

Как массивы микротрубочек (MT) ремоделируются в наборы, участвующие в делении, миграции и дифференцировке клеток является центральным вопросом клеточной биологии. Внутренне присущая способность MTs расти и уменьшаться называемая динамической нестабильностью, является важной для ремоделирования массивов MT. Некоторые факторы м. менять внутренне присущую динамическую нестабильность MTs и усиливать ремоделирование массивов MT (см. [1.]).
Динамическая нестабильность уже давно рассматривается как способность MTs находить или собирать трёхмерные пространства клеток для сайтов взаимодействия или прикрепления, которые вносят вклад в образование специфических упорядоченных последовательностей, необходимых для определенных клеточных функций. Согласно гипотезе селективной стабилизации Kirschner and Mitchison предполагается, что внкшние сигналы д. локально активировать кортикальные факторы, чтобы стабилизировать динамику MTs [2]. Одним из существенных аспектов этой модели, а именно, необходимость динамичных MTs, подтвержден многочисленными доказательствами того, что динамические MTs необходимы для клеточных делений, миграции и дифференцировки клеток [3,4]. Однако оказалось затруднительно получить доказательства сигналами обусловленных изменений в MTs и идентифицировать кортикальные факторы, которые обеспечивают взаимодействия МТ с кортексом.
В последнее время достигнуты серьёзные успехи в понимании того, как сигналы передаются черех промежуточные образования, чтобы вызывать изменения в МТ стабильности и поляризации в кортикальных сайтах. По существу, эти исследования предоставили доказательства первых путей сигнальной трансдукции, которые регулируют ремоделирование МТ. Эти исследования также подчеркнули наличие более обширного репертуара кортикальных взаимодействий, чем предполагалось на базе исходной модели селективной стабилизации.
В обзоре рассматриваются сигналы, которые стимулируют ремоделирование МТ, роль Rho GTPases в качестве сигнальных промежуточных факторов для взаимодействий МТ-кортекс, и функции MT- и cortex-ассоциированных белков, которые действуют, чтобы обеспечить взаимодействия MTs с кортексом. Мы рассматриваем взаимодействия MTs с кортеексом как захват MT по анологии с захватом МТ кинетохорами. Доказательства этому получены на нескольких системах путём наблюдения измененеий в динамическом поведении MTs в кортикальных сайтах, когда активируются специфические сигнальные пути [5-8]. Некоторые затруднения возникают относительно определения точной роли белков, обнаруживаемых на концах МТ, которые названы MT tip белками [9,10] и участвуют в захвате MT. MT tip белки локализуются избирательно на концах растущих MTs и поддерживаются на нихз с помощью неизвестных механизмов [10,11]. Мы полагаем, что помимо MT tip белков и их кортикальных рецепторов м. существовать и третий класс белков, которые мы назвали связующими (bridging) белками, которые действуют, связывая MT tip белки с их кортикальными рецепторами.

Systems and signals


Системы, которые наиболее пригодны для изучения взаимодействий MT-cortex, распадаются на две группы: первые, это те, что участвуют в MTs веретена и асимметричных клеточных делениях, и вторые, это те, что участвуют в сигналами индуцированном ремоделировании интерфазных или цитоплазматических MTs (Table 1). Для первой группы общая функция ремоделирования МТ ясна: т.к. веретено предопределяет плоскость борозды деления, асимметричное позиционирование веретена вызывает асимметричные клеточные деления с асимметричными дочерними клетками. У почкующихся дрожжей, которые являются специальным случаем асимметричных клеточных делений, цитоплазматические MTs перемещают внутриядерное веретено в пред-сформированную почку, чтобы гарантировать, что материнская и отпочковывающаяся клетка получат полные наборы хромосом. Для второй группы ремоделирование совокупности МТ м. иметь целью поляризованную секрецию или высвобождение факторов в специфических сайтах [12]. Ремоделирование MTs в большинстве таких систем имеет характеристики захвата МТ, но только в немногих случаях (почкующиеся и делящиеся дрожжи, фибробласты и эмбрионы C. elegans) продемонстрирован захват MT с помощью непосредственного наблюдения изменений в MTs во время активации специфических факторов [5-8,13].

Существуют разнообразные сигналы, которые инициируют ремоделирование MT в этих системах, включая растворимые факторы, межклеточные взаимодействия, факторы клеточного цикла и даже механические стимулы (Table 1). В большинстве случаев очевидно, что диффундирующие сигнальные факторы комбинируются с клеточными маркёрами, чтобы создать локальный кортикальный контроль MTs. Т.о., в почкующихся дрожжах детерминанты места образования почки комбинируют с сигналами клеточного цикла, чтобы ограничить захват MT почкой и шейкой почки [14,15]. В мигрирующих фибробластах активация Rho с помощью lysophosphatidic acid (LPA) комбинируется с сигналами от вновь ангажированных интегринов, ограничивая захват и стабилизацию МТ на ведущем крае [16].

Rho family GTPases: central regulators of MT-cortex interactions


Члены семейства Ras-родственных Rho GTPases оказались ключевыми промежуточными факторами между инициальными мембранными сигналами и кортикальными факторами, которые участвуют в контроле взаимодействий MT-cortex. Rho GTPases активируются с помощью GTP exchange факторов в ответ на мембранные рецепторы (такие как LPA рецептор) и др. факторы [17]. В активном GTP-связанном состоянии Rho GTPases взаимодействуют и активируют эффекторы, которые непосредственно или косвенно влияют на кортикальный захват MT. Первым указанием, что Rho GTPases регулируют MTs было обнаружение, что Cdc42 участвует в реориентации MT organizing center (MTOC) во время взаимодействий между T helper клетками и их мишенями [18]. Затем было установлено, что RhoA регулирует образование субнабора стабилизированных MTs на ведущем крае мигрирующих фибробластов [6]. Rho, по-видимому, регулирует захват MT в клеточном кортексе, т.к. съёмка показывает, что активация Rho индуцирует субнабор MTs вблизи ведущего края, чтобы обеспечить перерыв на длительные периоды, не нарушая параметры динамической нестабильности [6].
Теперь известно, что Cdc42 регулирует реориентацию MTOC в мигрирующих фибробластах [19], астроцитах [20] и эндотелиальных клетках [21] и вносит вклад в асимметрическое расположение веретена у эмбрионов C. elegans [22,23]. Dynein и dynactin необходимы для позиционирования MTOC и веретена во многих из этих систем и, по-видимому, действуют иерархически ниже Cdc42, хотя, как Cdc42 регулирует dynein или dynactin, неизвестно. В мигрирующих клетках Cdc42 регулирует реориентацию MTOC за счёт связывания с его эффектором Par6, чтобы активировать PKCζ [20,21]. Активация PKCζ в астроцитах инактивирует GSK3β и это, по-видимому, важно для реориентации MTOC [24]. Мишени для GSK3β неизвестны. Субстратом для GSK3β является adenomatous polyposis coli protein (APC), кандидат на роль доминантно-негативной версии APC, ингибирующей реориентацию MTOC в астроцитах [24]. Однако, пока всё ещё не ясно является ли dynein или dynactin стоящими ниже APC по иерархии в этой системе.
Par6 м.б. не единственным эффектором для Cdc42-регулируемой реориентации MTOC в мигрирующих клетках. Др. Cdc42 эффектор, IQGAP, также регулирует захват МТ в фибробластах [7]. IQGAP взаимодействует непосредственно с цитоплазматическим линкерным белком (cytoplasmic linker protein 170 (CLIP-170)), MT tip белком; в клетках с активированным IQGAP, MTs, которые достигли ведущего края, где локализован IQGAP, обладают временной стабилизацией. Это кортикальное взаимодействие определенно отличается от dynein-зависимого скольжения, обнаруживаемого у дрожжей [5], и м. служить для концентрации MTs в направлении ведущего края. Участвуют ли IQGAP и CLIP-170 также и в реориентации MTOC, неизвестно; однако, экспрессия мутантного IQGAP, который не взаимодействует с CLIP-170, даёт в результате клетки с множественными ведущими краями [7].
Скрининг на Rho эффекторный домен идентифицировал formin mDia в качестве эффектора, участвующего в селективной стабилизации MTs в мигрирующих фибробластах [25]. MTs, стабилизированные с помощью mDia ни растут, ни укорачиваются и являются, как полагают, capped на своих плюс концах, чтобы дать им длительный период (>1 ч) стабильности [26]. У почкующихся дрожжей регулируемый с помощью Rho-GTPase formin Bni1, как было установлено, регулирует концевой (end-on) захват MTs на верхушке почки [5,27,28]. MTs, захваченные в почке дрожжей, обнаруживают контролируемое укорочение и не сохраняются в течение часов подобно таковым в клетках млекопитающих; тем не менее это открывает возможность, что имеется законсервированный Rho-formin путь для регуляции end-on кортикального захвата и стабильности MT [29]. Дальнейшие доказательства этому получены благодаря находкам, что у млекопитающих ортологи др. белков дрожжей пути 'capture and shrinkage' играют роль захвате и стабилизации MT в клетках млекопитающих.
Rho GTPases не единственные, которые м. регулировать MTs посредством своего влияния на захват MT. Rac м. регулировать динамическую нестабильность MT, активируя свой эффектор Pak, чтобы фосфорилировать MT-дестабилизирующий белок stathmin [30,31].

Cortical MT receptors, bridging proteins and MT tip proteins


В простейшем сценарии захвата MT, MTs взаимодействуют с предварительно позиционированными кортикальными рецепторами посредством MT tip белков [10,32]. Прекрасный примеро этого у дрожжей, у которых предполагаемый кортикальный рецептор, Kar9, взаимодействует с MT tip белком Bim1/Yeb1, чтобы обеспечить захват и укорочение MTs на верхушке почки [33,34]. Имеется несколько MT tip белков и предполагаемых кортикальных рецепторов, это м. объяснить разнообразие реакций захваченных MTs. В самом деле, захваченные MTs м. стабилизироваться (или временно или более постоянно), подвергаться контролируемому укорочению или росту, тогда как остальные, прикреплены к рецепторам или скользят латерально вдоль кортекса [35]. Роль Rho GTPases в такой модели д. регулировать непосредственно или опосредованно кортикальные рецепторы и активировать их для взаимодействия с tip белками.
Хотя и имеется подтверждение такой двух-компонентной модели, однако недавние результаты говорят о том, что эта модель сомнительна. Ниже мы рассмотрим эти новые данные и предложим новую модель для взаимодействия MTsс кортексом, которая предполагает наличие промежуточных 'bridging proteins', которые действуют между MT tip белками и кортикальными рецепторами. Эти связующие белки м. действовать сводя MT tip белки и кортикальные рецепторы вместе ('direct bridging') и/или м. выполнять эту функцию, используя актиновые филаменты для наведения MTs на их кортикальные рецепторы ('indirect bridging') (Рис. 1, Табл. 2).
Ранние исследования показали, что Kar9 м. рассматриваться как кортикальный рецептор для цитоплазматических MTs у дрожжей, т.к. он располагается на кончике почки, взаимодействует с MT tip белком Bim1/Yeb1 и необходим для захвата и укорочения MTs на верхушке почки [33,34,36]. Однако, позднее было обнаружено, что Kar9 взаимодействует с type-V миозиновым мотором Myo2, который также необходим для ориентации веретена, обеспечиваемого с помощью этого типа захвата МТ [37]. Т.к. Myo2 ответственен за перемещение груза в почку вдоль поляризованных актиновых кабелей, которые здесь закреплены [38.], то это открывает возможность того, что Myo2, посредством Kar9, отвечает за перемещение MTs в почку. Результаты недавних исследований подтверждают эту идею, что Kar9 м. действовать как bridging белок скорее, чем кортикальный рецептор. Kar9 первым загружается на spindle pole body (SPB) и затем перемещается на концы растущих MTs прежде чем они достигнут почки [14,15]. Кроме того, Kar9-tipped MTs, появляющиеся под высоким углом от SPB, ориентируются в направлении почки быстро (в секунды) в процессе, зависящем от актина и Myo2 [15]. Kar9, действующий на этом пути ориентации веретена, м.б. замещен химерным белком, состоящим из Bim1 и Myo2 [39]. Эти результаты подчёркивают роль Kar9 в обеспечении взаимодействия между MTs и актиновым цитоскелетом и помещают активность Kar9 до захвата в почке.
Возникает новый вопрос, участвует ли Kar9 в захвате на сайтах почки. Формин Bni1, который ответственен за нуклеацию актиновых кабелей, располагается на верхушке почки и является кандидатом на роль захвата MTs, который осуществляется с помощью Myo2 и Kar9. Кстати, отсутствуют доказательства взаимодействий между Bni1 и Kar9 или Bim1/Yeb1 у дрожжей. Однако, недавние исследования родственного форминового пути, обеспечивающего захват и стабилизацию MT в клетках млекопитающих, показал, что EB1, ортолог у млекопитающих Bim1/Yeb1, и APC, функциональный гомолог Kar9, оба взаимодействуют с формином mDia и участвуют в стабилизации MT (Wen and Gundersen, unpublished). Т.о., и Kar9 и APC м. действовать как bridging белки во время захвата MT, чтобы обеспечить и усилить взаимодействие с форминами, которые действуют как кортикальные рецепторы (Табл. 2).
Аналогичные результаты были получены для MT-capture-and-sliding пути у дрожжей. Этот путь работает в содружестве с capture-and-shrinkage путём, чтобы позиционировать веретено в шейке почки, что, как известно, обеспечивается с помощью dynein и его регулятора, dynactin, и Num1, кортикального белка с PH доменом [5,40,41]. Dynein, как полагают, локализуется в кортексе почки и выдвигается к MTs, чтобы протащить ядро через шейку почки. Однако, dynein не обнаружен в кортексе почки и недавние исследования показали, что эндогенный dynein располагается на концах растущих концов MTs у дрожжей и что этот способ зависит от белков Pac1 и Bik1 [42-45], локализованных на кончиках MT у дрожжей [42,46]. Т.о., Bik1 и/или Pac1 м.б. tip молекулами для dynein, которые м. действовать через него связывая мостиками концы MT с кортикальным рецептором Num1. Согласуется с этим и то, что dynein взаимодействует с Lis-1 [45], а Lis-1/Pac1 взаимодействует с CLIP-170/Bik1 в клетках млекопитающих [47] и дрожжей [43]. Дальнейшие доказательства такой bridging роли для dynein получены на Aspergillus, где dynein также располагается на кончиках растущих MTs, вместе с NUDF, ортологом Lis-1 [48]. Aspergillus также имеет белок, родственный Num1, а именно, ApsA, который м.б. кортикальным рецептором [49].
В клетках млекопитающих, dynein м. также действовать как связующая молекула между MT tip белками и кортикальными рецепторами. Dynactin является прекрасным кандидатом на роль tip белка в клетках млекопитающих, т.к. располагается на концах растущих MTs [50], взаимодействуя с dynein и функционируя с dynein иерархически ниже Cdc42 во время реориентации MTOC в мигрирующих клетках [19,20]. Dynein менее часто обнаруживается на концах MTs [50]; однако, он локализуется с dynactin на концах MT на ведущем крае мигрирующих фибробластов, где он м. обеспечивать захват MT, чтобы реориентировать MTOC [51]. Идентификация кортикальных рецепторов в этом случае не осуществлена, но Cdc42 эффектор Par6, который действует выше dynein реориентации MTOC в мигрирующих клетках, м.б. кандидатом, т.к. он также локализуется на ведущем крае [20].
Всегда ли захват MT нуждается в bridging молекуле? В фибробластах MT tip белок, CLIP-170, взаимодействует непосредственно с Cdc42 эффектором IQGAP и это вызывает временную стабилизацию захваченных MTs на ведущем крае фибробластов [7]. Т.к. др. Rho эффекторы м.б. кортикальными рецепторами, а IQGAP преимущественно локализуется в кортексе, то IQGAP м. функционировать как кортикальный рецептор. CLIP-170 также взаимодействует с CLASPs (CLIP-ASsociated Proteins) на концах MTs, а CLASPs вносит вклад в стабилизацию MT у фибробластов [52], подтверждая, что CLASPs м.б. bridging белком для CLIP-170. Взаимодействие CLASPs с IQGAP не было тестировано.
Концепция bridging белков м. также помочь объяснить захват MT у Saccharomyces pombe. В этих клетках tip белок Tip1, ортолог CLIP-170, контролирует локализацию Tea1, kelch доменового белка, который накапливается на клеточных концах [8,53]. Tea1 м. действовать как bridging молекула, т.к. её накопление на клеточных концах зависит от недавно идентифицированного кортикального рецептора Mod5 [54]. Захват MT, обеспечиваемый этими белками, является временным, с MTs, персистирующими на клеточных концах менее чем 2 мин., сходно с временной стабилизацией MT с помощью CLIP-170 и IQGAP в клетках млекопитающих.
Мы высказываем идею, что д.б. связующие белки, которые усиливают захват MTs с помощью кортикальных рецепторов. Эти bridging белки обладают общей способностью взаимодействовать и с MT tip белками и кортикальными захватывающими рецепторами. Рассматриваемые как группа, они д. обладать распределением в клетках, которое м.б. сбивать с толку: иногда они располагаются на MTs, обычно на их концах, в др. случаях они обнаруживают кортикальную локализацию и они м. обнаруживаться в обеих местоположениях. Мы полагаем, что это варьирующее местоположение отражает различные состояния их связующей активности. Мы полагаем, что функция этих bridging белков заключается в увеличении вероятности редких событий захвата MT. Самым простейшим уровнем этого м.б. их способность связывать непосредственно MT tip белок с кортикальным рецептором (Рис. 1). Однако, они м. также увеличивать вероятность того, что MTs смогут встретить свои кортикальные рецепторы. В наиболее хорошо задокументированных случаях, касающихся Kar9 у дрожжей, bridging молекула взаимодействует с актиновым цитоскелетом (посредством Myo2) и это увеличивает вероятность, что MT будут находить верхушку почки и будут доступны для захвата. Интересно, что актиновые филаменты, которые направляют MT к месту захвата, нуклеируются с помощью formin (Bni1), чьим ортологом в клетках млекопитающих является mDia, который, как полагают, участвует в захвате MT.
В клетках млекопитающих сходная bridging функция м. выполняться APC. APC, как известно, взаимодействует с актиновым цитоскелетом, вообще-то с миозиновым мотором [55.], и перемещается на концы некоторых MTs, где он м. направлять MTs к местам захвата [56]. В противоположность относительно простым актиновым структурам у дрожжей, актиновый цитоскелет в клетках млекопитающих формирует разнообразные совокупности, варьирующие от плотных сетей до длинных стрессовых волокон. Если bridging белки взаимодействуют с актиновым цитоскелетом в клетках млекопитающих, то они м.б. важными для усиления проникновения MTs через плотные массивы актина или для усиления высвобождения MTs к кортикальным рецепторам со значительных расстояний. В самом деле MTs, как известно, направляются к фокальным адгезивным структурам, местам, местам в которых закреплены стрессовые волокна [57,58], имеются и новые доказательства того, что MTs движутся с помощью актинового цитоскелета в фибробластах и нейронах [59,60]. Некоторые из белков, которые, как мы полагаем, обладают bridging активность, не обнаруживают ассоциации с миозинами, но взаимодействуют с др. молекулами, ассоциированными с актиновым цитоскелетом. Напр., dynein взаимодействует с β-catenin [61], молекулой, которая косвенно взаимодействует с актиновым цитоскелетом. Итак, м. оказаться, что большинство bridging белков использует актиновый цитоскелет для усиления захвата MT.

Conclusions


We have surveyed the systems that have begun to yield important new information about how MT arrays are remodeled in cells, focusing on the major actors in the processes by which signals activate the capture of MTs in the cell cortex. We have raised the possibility that bridging proteins, in addition to MT tip proteins and cortical proteins, are involved in this process. If bridging proteins can indeed link MT tip proteins to cortical receptors and also to the actin cytoskeleton, this may be an important way in which the two cytoskeletal elements ‘crosstalk’.

Сайт создан в системе uCoz