基本介紹
基本信息,發現和早期調查,結構,G-肌動蛋白,F-肌動蛋白,遺傳學,裝配動力學,成核和聚合,相關蛋白,化學抑制劑,功能和位置,
基本信息
肌動蛋白參與許多重要的細胞過程，包括肌肉收縮 ，細胞運動 ，細胞分裂和胞質分裂 ， 囊泡和細胞器運動， 細胞信號傳導 ，以及細胞連線和細胞形狀的建立和維持 .許多這些過程是通過肌動蛋白與細胞膜的廣泛和親密的相互作用介導的。.在脊椎動物中，已經鑑定出三種主要的肌動蛋白同種型 ， α ， β和γ 。在肌肉組織中發現的α肌動蛋白是收縮裝置的主要成分。 β和γ肌動蛋白在大多數細胞類型中共存，作為細胞骨架的組分，並作為內部細胞運動的 介質 。 據信，肌動蛋白使其能夠實現如此大範圍的功能所形成的各種結構通過原肌球蛋白沿著細絲的結合來調節。
A細胞動態形成微絲的能力提供了支架，其允許其回響於其環境或生物體的內部信號而快速重塑自身，例如，以增加細胞膜吸收或增加細胞粘附以形成細胞組織 。其他酶或細胞器如纖毛可固定在該支架上，以控制外部細胞膜的變形，從而允許胞吞作用和胞質分裂 .它既可以自己產生運動，也可以在分子馬達的幫助下產生運動。.因此，肌動蛋白有助於諸如囊泡和細胞器的細胞內轉運以及肌肉收縮和細胞遷移的過程 。肌動蛋白的進化起源可以追溯到具有等同蛋白質的原核細胞 。.來自原核生物和古細菌的肌動蛋白同系物聚合成由一條或多條鏈組成的不同螺旋或線性細絲。 然而，鏈內接觸和核苷酸結合位點保留在原核生物和古細菌中。最後，肌動蛋白在基因表達的控制中起重要作用。
.大量的疾病和疾病是由調節肌動蛋白或其相關蛋白質產生的基因的 等位基因 突變引起的肌動蛋白的產生也是一些致病 微生物 感染過程的關鍵。 調節人體肌動蛋白產生的不同基因的突變可引起肌肉疾病 ， 心臟大小和功能的變化以及耳聾 。細胞骨架的構成也與細胞內細菌和病毒的致病性有關，特別是在與逃避免疫系統的作用有關的過程中 。
發現和早期調查
諾貝爾獎獲獎生理學家 Albert von Szent-GyörgyiNagyrápolt ，與BrunóFerencStraub合作發現肌動蛋白。
.肌動蛋白首先在1887年由WD Halliburton 實驗觀察，他從肌肉中提取了一種“凝固” 肌球蛋白製劑的蛋白質，他稱之為“肌球蛋白 - 酵素”。然而，哈里伯頓無法進一步完善他的發現，肌動蛋白的發現被歸功於BrunóFerencStraub ，一位在塞格德大學醫學化學研究所的Albert Szent-Györgyi實驗室工作的年輕生物化學家 ， 匈牙利 。
1942年，Straub開發出一種新技術，用於提取肌肉蛋白，使其能夠分離出大量相對純淨的肌動蛋白。 Straub的方法與今天的實驗室使用的方法基本相同。 Szent-Gyorgyi之前曾將慢肌提取產生的更為粘稠的肌球蛋白描述為“激活的”肌球蛋白，並且由於Straub的蛋白質產生了激活作用，因此它被稱為肌動蛋白 。將ATP添加到兩種蛋白質的混合物（稱為肌動蛋白）中會導致粘度降低。第二次世界大戰的敵對行動意味著Szent-Gyorgyi和Straub無法在西方 科學期刊上發表這些作品。因此，肌動蛋白在1945年才在西方成名，當時他們的論文作為Scandavica Acta Physiologica的補充出版。 Straub繼續研究肌動蛋白，並在1950年報導肌動蛋白含有結合的ATP 並且在蛋白質聚合成微絲的過程中 ， 核苷酸被水解成ADP和無機磷酸鹽 （仍然與微絲結合） 。Straub認為ATP結合肌動蛋白向ADP結合肌動蛋白的轉化在肌肉收縮中發揮作用。事實上，這隻適用於平滑肌 ，直到2001年才通過實驗得到支持。
肌動蛋白的胺基酸測序由M. Elzinga及其同事於1973年完成。 G-actin的晶體結構於1990年由Kabsch及其同事解決。 同年，Holmes及其同事在使用與不同蛋白質共結晶的實驗後提出了F-肌動蛋白的模型。 .在接下來的幾年中，重複使用與不同蛋白質共結晶的程式，直到2001年，分離的蛋白質與ADP一起結晶。 然而，仍然沒有F-肌動蛋白的高解析度X射線結構。由於使用通過阻斷胺基酸cys-374來阻礙聚合的羅丹明綴合物，F-肌動蛋白的結晶是可能的。 Christine Oriol-Audit在肌動蛋白首次結晶的同一年去世，但她是1977年在沒有肌動蛋白結合蛋白（ABPs）的情況下首次結晶肌動蛋白的研究員。 然而，所得到的晶體對於當時可用的技術來說太小了。
儘管目前還沒有肌動蛋白絲狀形式的高解析度模型，但是在2008年，Sawaya的團隊能夠基於肌動蛋白二聚體的多個晶體在不同的地方產生更精確的結構模型。 此模型隨後由Sawaya和Lorenz進一步完善。 .其他方法，例如使用低溫電子顯微鏡和同步輻射 ，最近允許提高解析度和更好地理解與肌動蛋白絲形成有關的相互作用和構象變化的性質。
結構
它的胺基酸序列也是最高度保守的蛋白質之一，因為它在進化過程中幾乎沒有變化 ，在藻類和人類等多種物種中的差異不超過20%。它有兩個顯著特徵：它是一種緩慢水解 ATP的酶 ，是生物過程的“通用能量貨幣”。 但是，ATP是必需的，以保持其結構完整性。其高效的結構由幾乎獨特的摺疊過程形成。此外，它能夠比任何其他蛋白質進行更多的相互作用 ，這使得它在幾乎所有細胞生命水平上都能比其他蛋白質發揮更廣泛的功能。 肌球蛋白是與肌動蛋白結合的蛋白質的一個例子。 另一個例子是絨毛蛋白 ，它可以根據周圍培養基中鈣陽離子的濃度將肌動蛋白編織成束或切割長絲。
肌動蛋白是真核生物中最豐富的蛋白質之一，在整個細胞質中發現它。 事實上，在肌肉纖維中，它占細胞總蛋白質的20%，在其他細胞中占1%-5%。然而，不僅有一種肌動蛋白，編碼肌動蛋白的基因被定義為基因家族 （植物中含有超過60種元素的家族，包括基因和假基因 ，在人類中超過30種元素）。 這意味著每個個體的遺傳信息都包含產生肌動蛋白變體（稱為同種型 ）的指令，這些變體具有略微不同的功能。反過來，這意味著真核生物表達不同的基因，這些基因產生：α-肌動蛋白，存在於收縮結構中; β-肌動蛋白，發現於細胞的擴展邊緣，使用其細胞結構的投射作為其移動手段; γ-肌動蛋白，存在於應力纖維的細絲中。除了生物體異構體之間存在的相似性之外，甚至在不同真核生物結構域中包含的生物體之間也存在結構和功能的進化保守性 ：在細菌中已經鑑定出肌動蛋白同源物 MreB ，其是一種蛋白質。能夠聚合成微絲。在古生菌中 ，同系物Ta0583甚至更類似於真核動物。
G-肌動蛋白
掃描電子顯微鏡圖像表明G-肌動蛋白具有球狀結構; 然而， X射線晶體學顯示這些小球中的每一個都由兩個由裂縫分開的葉片組成。該結構代表“ATP酶摺疊”，其是酶促催化的中心，其結合ATP和Mg 並將前者水解為ADP加磷酸鹽 。 該摺疊是保守的結構基序，其也存在於與三磷酸核苷酸相互作用的其他蛋白質中，例如己糖激酶 （用於能量代謝的酶）或Hsp70蛋白質（在蛋白質摺疊中起重要作用的蛋白質家族）。G-肌動蛋白僅在其裂隙中含有ADP或ATP時才起作用，但當肌動蛋白以其游離狀態存在時，與ATP結合的形式在細胞中占優勢。
在Graceffa和Domínguez，2003之後，從兔的橫紋肌組織中提取肌動蛋白的帶狀模型 。可以看到四個亞結構域 ，以及N和C末端以及ATP鍵的位置。 使用通常的慣例將分子取向，將末端（尖端）放在上部，+末端（倒刺末端）放在下部。
.由Kabsch從兔的橫紋肌組織產生的肌動蛋白的X射線晶體學模型是結構研究中最常用的，因為它是第一個被純化的 。由Kabsch結晶的G-肌動蛋白大小約為67×40× 37 ， 分子量為41,785Da，估計等電點為4.8。 Its net charge at pH = 7 is -7.其在pH = 7時的淨電荷為-7。
主要結構
及其同事於1973年首次確定了此類肌動蛋白的完整肽序列 ，後來同一作者的工作為該模型添加了更多細節。 它含有374 個胺基酸殘基。 它的N-末端是高度酸性的，並且在其氨基中以乙醯基天冬氨酸開始。雖然其C-末端是鹼性的並且由苯丙氨酸形成，其前面是半胱氨酸 ，其具有一定程度的功能重要性。兩個極端都在I子域內非常接近。異常的Nτ-甲基組氨酸位於73位。
三級結構 - 域
拓撲研究中的常規慣例意味著蛋白質顯示左側最大區域和右側區域最小區域。 在該位置，較小的結構域又分成兩個：子結構域I（較低位置，殘基1-32,70-144和338-374）和亞結構域II（較高位置，殘基33-69）。 較大的結構域也分為兩個：亞結構域III（較低的，殘基145-180和270-337）和亞結構域IV（較高的，殘基181-269）。 子域I和III的暴露區域被稱為“帶刺”末端，而域II和IV的暴露區域被稱為“尖頭”末端。這種命名法指的是由於子域的質量較小的事實II肌動蛋白是極性的;其重要性將在下面的裝配動力學討論中討論。一些作者分別稱為子域Ia，Ib，IIa和IIb。
其他重要結構
最值得注意的超二級結構是五鏈β摺疊 ，由β曲折和β-α-β順時針單元組成。 它存在於兩個域中，表明該蛋白質來自基因複製。
腺苷核苷酸結合位點位於兩個與I和III結構域有關的β髮夾形結構之間。涉及的殘基分別是Asp11-Lys18和Asp154-His161。
很可能至少有三個其他中心具有較低的親和力 （中間），還有一些中心具有對二價陽離子的低親和力。已經提出這些中心可以通過在激活階段起作用而在肌動蛋白的聚合中起作用。
子域2中存在稱為“D-環”的結構，因為它與DNase I結合，它位於His40和Gly48殘基之間。它在大多數晶體中具有無序元素的外觀，但當它與DNase I複合時，它看起來像β-摺疊。已經提出聚合中的關鍵事件可能是從構象變化的傳播。與該結構域的核苷酸結合的中心，其從環狀變為螺旋狀。 然而，其他研究駁斥了這一假設。
F-肌動蛋白
F-肌動蛋白的肌動蛋白絲模型重複13個亞基的表面表示。
F-肌動蛋白的經典描述表明它具有絲狀結構，可被認為是單鏈左旋 螺旋 ，螺旋軸旋轉166°，軸向平移27.5Å ，或單鏈右旋螺旋交叉間距為350-380Å，每個肌動蛋白被四個肌肉包圍。肌動蛋白聚合物在螺旋每轉2.17亞基處的對稱性與晶體的形成不相容，這只能在每圈精確地對準2,3,4或6個亞單位。因此，必須使用來自電子顯微鏡 ， 低溫電子顯微鏡 ，不同位置的二聚體結晶和X射線衍射的數據來構建解釋這些異常的模型 。應該指出的是，將分子的“結構”稱為肌動蛋白絲一樣動態是不正確的。實際上我們談到了不同的結構狀態，在這些結構狀態中，軸向平移的測量保持恆定在27.5Å，而子單元旋轉數據顯示出相當大的可變性，其位移從常見的最佳位置高達10%。 .一些蛋白質，如cofilin似乎增加了轉角，但這又可以解釋為建立不同的結構狀態。這些在聚合過程中可能很重要。
.關於轉彎半徑和燈絲厚度測量的一致性較低：雖然第一個模型的經度為25Å，但當前的X射線衍射數據表明經度為23.7Å。 這些研究表明了單體之間的精確接觸點。 一些單元由相同鏈的單元形成，位於一個單體上的“帶倒鉤”端和下一個單體的“尖端”之間。雖然相鄰鏈中的單體通過子域IV的突出物進行側向接觸，但最重要的突出物是由C-末端形成的那些和由涉及殘基39-42,201-203和286的三個物體形成的疏水鍵。該模型表明細絲是由“片”形式的單體形成的，其中子結構域自身轉向，這種形式也存在於細菌肌動蛋白同系物MreB中 。
由於所有微絲的亞基指向同一端的事實，F-肌動蛋白聚合物被認為具有結構極性。.這產生了一種命名慣例：具有暴露其ATP結合位點的肌動蛋白亞基的末端稱為“（ - ）末端”，而將裂口指向不同的相鄰單體的另一端稱為“ （+）結束“。當使用稱為“裝飾”的製備技術檢查樣品時，涉及微絲的兩端的術語“尖”和“帶倒鉤”源於它們在透射電子顯微鏡下的外觀。 該方法包括將肌球蛋白 S1片段添加到已用單寧酸固定的組織中 。 這種肌球蛋白與肌動蛋白單體形成極性鍵，產生一種看起來像箭頭的結構，其軸上有羽毛，其中軸是肌動蛋白，而肌腱是肌球蛋白。 遵循這個邏輯，沒有任何突出肌球蛋白的微絲的末端稱為箭頭點（ - 結束），另一端稱為帶刺末端（+末端）。 S1片段由肌球蛋白II的頭頸區組成。 在生理條件下，G-肌動蛋白（ 單體形式）通過ATP轉化為F-肌動蛋白（ 聚合物形式），其中ATP的作用是必需的。
遺傳學
結構蛋白的主要相互作用是基於鈣粘蛋白的粘附連線。肌動蛋白絲通過紐 蛋白與α- 肌動蛋白和膜連線。 紐蛋白的頭部結構域通過α-連環蛋白 ， β-連環蛋白和γ-連環蛋白與E-鈣粘蛋白結合 。 紐蛋白的尾部結構域與膜脂質和肌動蛋白絲結合。
肌動蛋白是整個進化過程中最高度保守的蛋白質之一，因為它與大量其他蛋白質相互作用。 它在人和釀酒酵母 （一種酵母）之間的基因水平上具有80.2%的序列保守性 ，並且蛋白質產物的一級結構的保守性為95%。
儘管大多數酵母僅具有單個肌動蛋白基因，但是高等真核生物通常表達由相關基因家族編碼的幾種肌動蛋白同種型 。哺乳動物至少有6種肌動蛋白異構體由不同的基因編碼， 根據它們的等電點分為三類（α， β和γ）。一般來說，α肌動蛋白存在於肌肉中（α-骨骼，α-主動脈平滑，α-心臟），而β和γ同種型在非肌肉細胞中很突出（β-細胞質，γ1-細胞質，γ2-腸道平滑） 儘管同種型的胺基酸序列和體外特性高度相似，但這些同種型在體內不能完全相互替代。
典型的肌動蛋白基因具有約100個核苷酸的5'UTR ，1200個核苷酸的翻譯區和200個核苷酸的3'UTR 。大多數肌動蛋白基因被內含子打斷，在19個特徵明確的位置中有多達6個內含子。家族的高保守性使肌動蛋白成為比較內含子 - 早期和內含子 - 晚期內含子進化模型的研究的優選模型。
所有非球形原核生物似乎都具有編碼肌動蛋白同源物的基因如MreB ; 這些基因是維持細胞形狀所必需的。 質粒衍生的基因ParM編碼肌動蛋白樣蛋白，其聚合形式是動態不穩定的 ，並且似乎在細胞分裂期間通過類似於真核有絲分裂中微管所用的機制將質粒DNA分配到其子細胞中肌動蛋白存在於光滑和粗糙的內質網中。
裝配動力學
成核和聚合
細絲形成顯示出將G-肌動蛋白轉化為F-肌動蛋白的聚合機理; note the hydrolysis of the ATP.注意ATP的水解。
一種這樣的成核因子是Arp2 / 3複合物 ，其模擬G-肌動蛋白二聚體以刺激單體G-肌動蛋白的成核（或第一三聚體的形成）。Arp2 / 3複合物與肌動蛋白絲在70度結合，形成現有肌動蛋白絲的新肌動蛋白分支。 Arp2 / 3介導的成核是定向細胞遷移所必需的。此外，肌動蛋白絲本身與ATP結合，並且該ATP的水解刺激聚合物的不穩定。
肌動蛋白絲的生長可以通過胸腺素和profilin調節。 胸腺素與G-肌動蛋白結合以緩衝聚合過程，而profilin與G-肌動蛋白結合以交換ADP用於ATP ，促進單向添加到倒刺，加上F-肌動蛋白絲的末端。
F-肌動蛋白既強壯又充滿活力。與其他聚合物 （例如DNA）不同 ，其組成元素通過共價鍵結合在一起，肌動蛋白絲的單體通過較弱的鍵組裝。 與相鄰單體的側向鍵解決了這種異常，理論上這應該會削弱結構，因為它們可以通過熱攪動來破壞。此外，弱鍵提供的優點是長絲末端可以容易地釋放或摻入單體。這意味著細絲可以快速重塑並且可以回響環境刺激而改變細胞結構。其中，與其產生的生化機制一起被稱為“組裝動態”。
體外研究
關注微絲積聚和失去亞單位的研究是在體外 （即在實驗室而不是在細胞系統中）進行的，因為所得肌動蛋白的聚合產生與體內產生的相同的F-肌動蛋白。 體內過程由多種蛋白質控制，以使其回響細胞需求，這使得難以觀察其基本條件。
體外生產以順序方式進行：首先，當二價陽離子的鍵合和交換髮生在與ATP結合的G-肌動蛋白的特定位置時，存在“活化階段”。這產生構象變化，有時稱為G * - 肌動蛋白或F-肌動蛋白單體，因為它與位於長絲上的單元非常相似。這使其為“成核階段”做好準備，其中G-肌動蛋白產生能夠聚合的小的不穩定的F-肌動蛋白片段。 最初形成不穩定的二聚體和三聚體。 當存在足夠大量的這些短聚合物時，“伸長階段”開始。 在該階段，長絲通過在兩種極端情況下可逆地添加新單體而形成並快速生長。最後，實現靜止平衡 ，其中G-肌動蛋白單體在微絲的兩端交換而其總長度沒有任何變化。在最後階段，“臨界濃度C c ”定義為G-肌動蛋白的組裝常數和解離常數之間的比率，其中添加和消除二聚體和三聚體的動力學不會產生變化。微絲的長度在體外條件下為0.1μM， 這意味著在較高值時發生聚合，並且在較低值時發生解聚。
ATP水解的作用
如上所述，雖然肌動蛋白水解ATP，但是一切都指出ATP不需要肌動蛋白組裝，因為一方面水解主要發生在細絲內部，另一方面ADP也可以促使聚合。 這提出了理解哪個熱力學上不利的過程需要如此驚人的能量消耗的問題 。 將ATP水解與肌動蛋白聚合相結合的肌動蛋白循環包括優先將G-肌動蛋白-ATP單體添加到細絲的倒刺末端，以及隨後在ADP隨後的尖端同時拆解F-肌動蛋白-ADP單體。變為ATP，從而關閉循環，肌動蛋白絲形成的這個方面被稱為“踏步”。
相關蛋白
體內肌動蛋白細胞骨架不僅僅由肌動蛋白組成，其它蛋白質的形成，持續和功能也是必需的。這些蛋白質被稱為肌動蛋白結合蛋白 （ABP），它們參與肌動蛋白的聚合，解聚，穩定性，束或網路中的組織，碎裂和破壞。 這些蛋白質的多樣性使得肌動蛋白被認為是參與最多蛋白質 - 蛋白質相互作用的蛋白質 。 例如，存在阻礙其摻入微絲中的G-肌動蛋白螯合元素。還有蛋白質刺激其聚合或使合成網路複雜化。
- 胸腺素β-4是一種5kDa的蛋白質，可以1：1的化學計量與G-肌動蛋白-ATP結合;這意味著一個單位的胸腺素β-4與一個單位的G-肌動蛋白結合。其作用是阻止單體摻入生長的聚合物中。
蛋白質凝溶膠蛋白 ，是肌動蛋白裝配和分解的關鍵調節劑。它有六個亞結構域，S1-S6，每個亞結構域由一個五鏈β- 摺疊組成 ，側翼有兩個α-螺旋 ，一個垂直於股線，另一個垂直於平行位置。 N末端（S1-S3）和C末端（S4-S6）均形成延伸的β-摺疊。
與肌動蛋白結合的其他蛋白質通過切割它們來調節微絲的長度，這產生了用於聚合的新的活性末端。例如，如果將具有兩個末端的微絲切割兩次，則將有三個具有六個末端的新微絲。 這種新情況有利於裝配和拆卸的動力。這些蛋白質中最值得注意的是凝溶膠蛋白和cofilin。這些蛋白質首先通過與位於聚合物中的肌動蛋白單體結合而實現切割，然後它們改變肌動蛋白單體的構象，同時保持與新產生的（+）末端結合。這具有阻止添加或交換新的G-肌動蛋白亞基的作用。促進解聚，因為（ - ）末端不與任何其他分子連線。
其他與肌動蛋白結合的蛋白質覆蓋F-肌動蛋白的末端以穩定它們，但它們不能破壞它們。這類蛋白質的例子是CapZ（根據細胞的Ca / 鈣調蛋白水平結合（+）末端。這些水平取決於細胞的內部和外部信號，並參與其生物學功能的調節）。另一個例子是tropomodulin（結合（ - ）端）。 Tropomodulin基本上用於穩定肌肉肌節中存在的肌原纖維中存在的F-肌動蛋白，肌肉 肌節是具有高穩定性的結構。
該Arp2 / 3複合在所有廣泛存在的真核微生物。它由七個亞基組成，其中一些亞基具有與其生物學功能明顯相關的拓撲結構：兩個亞基ARP2和ARP3具有與肌動蛋白單體相似的結構。該同源性允許兩個單元在G-肌動蛋白和F-肌動蛋白的聚合中充當成核劑。這種複合物在更複雜的過程中也是必需的，例如建立樹突結構和吻合（重新連線先前已連線的兩個分支結構，例如在血管中）。
化學抑制劑
- Latrunculin是一種由海綿產生的毒素，它與G-肌動蛋白結合，阻止它與微絲結合。
- 鬼筆環肽（Phalloidin）是一種從死亡蘑菇傘形毒蕈（Amanita phalloides）中分離出來的毒素。它與F-肌動蛋白聚合物中相鄰肌動蛋白單體之間的界面結合，阻止其解聚。
功能和位置
肌動蛋白形成細絲（'F-肌動蛋白'或微絲），其是真核細胞骨架的必需元件，能夠經歷非常快速的聚合和解聚動力學。在大多數細胞中，肌動蛋白絲形成更大規模的網路，這對於細胞中的許多關鍵功能是必不可少的：
- 各種類型的肌動蛋白網路（由肌動蛋白絲製成）為細胞提供機械支持，並提供通過細胞質的運輸途徑以幫助信號轉導
肌動蛋白網路的快速組裝和拆卸使細胞能夠遷移（細胞遷移）。
· 在非肌肉細胞中，成為貨物運輸肌球蛋白（非常規肌球蛋白）的軌道，如肌球蛋白V和VI。 非常規肌球蛋白使用ATP水解以定向方式運輸貨物（例如囊泡和細胞器）比擴散快得多。 肌球蛋白V走向肌動蛋白絲的帶刺末端，而肌球蛋白VI走向尖端。 大多數肌動蛋白絲被布置成帶倒鉤的末端朝向細胞膜，尖端朝向細胞內部。 這種安排使肌球蛋白V成為出口貨物的有效馬達，肌球蛋白VI成為進口的有效馬達。
