Bookshelf

Assembly and Disassembly of Actin Filaments

Actine werd voor het eerst geïsoleerd uit spiercellen, waarin het ongeveer 20% van het totale cel-eiwit uitmaakt, in 1942. Hoewel aanvankelijk werd gedacht dat actine alleen betrokken was bij het samentrekken van spieren, is nu bekend dat het een extreem overvloedig eiwit is (typisch 5 tot 10% van het totale eiwit) in alle soorten eukaryote cellen. Gisten hebben slechts één actinegen, maar hogere eukaryoten hebben verschillende actinetypes, die door verschillende leden van de actinegenfamilie worden gecodeerd. Zoogdieren, bijvoorbeeld, hebben ten minste zes verschillende actine-genen: Vier daarvan komen tot expressie in verschillende spiertypes en twee in niet-spiercellen. Alle actines vertonen echter een grote overeenkomst in aminozuursequentie en zijn in hoge mate geconserveerd gebleven gedurende de evolutie van eukaryoten. Actine uit gist, bijvoorbeeld, is in aminozuur-volgorde 90% identiek aan de actines van zoogdiercellen.

De driedimensionale structuren van zowel individuele actinemoleculen als actinefilamenten werden in 1990 bepaald door Kenneth Holmes, Wolfgang Kabsch, en hun collega’s. Individuele actinemoleculen zijn bolvormige eiwitten van 375 aminozuren (43 kd). Elk actinemonomeer (bolvormig actine) heeft hechte bindingsplaatsen die kop-staartinteracties met twee andere actinemonomeren bemiddelen, zodat actinemonomeren polymeriseren tot filamenten (filamenteuze actine) (figuur 11.2). Elk monomeer is 166o gedraaid in de filamenten, die daardoor het uiterlijk hebben van een dubbelstrengs helix. Omdat alle actinemonomeren in dezelfde richting georiënteerd zijn, hebben actinefilamenten een duidelijke polariteit en zijn hun uiteinden (de plus- en min-uiteinden genoemd) van elkaar te onderscheiden. Deze polariteit van actinefilamenten is belangrijk, zowel voor hun assemblage als voor het vaststellen van een unieke bewegingsrichting van myosine ten opzichte van actine, zoals later in het hoofdstuk wordt besproken.

Figuur 11.2. Assemblage en structuur van actinefilamenten.

Figuur 11.2

Samenstelling en structuur van actinefilamenten. (A) Actinemonomeren (G actine) polymeriseren om actinefilamenten (F actine) te vormen. De eerste stap is de vorming van dimeren en trimeren, die vervolgens groeien door de toevoeging van monomeren aan beide uiteinden. (B) Structuur van een (meer…)

De assemblage van actinefilamenten kan in vitro worden bestudeerd door de ionensterkte van actine-oplossingen te regelen. In oplossingen met een lage ionensterkte depolymeriseren actïnefilamenten tot monomeren. Actine polymeriseert dan spontaan als de ionensterkte wordt verhoogd tot fysiologische niveaus. De eerste stap in actinepolymerisatie (nucleatie genoemd) is de vorming van een klein aggregaat bestaande uit drie actinemonomeren. Actinefilamenten kunnen dan groeien door de omkeerbare toevoeging van monomeren aan beide uiteinden, maar één uiteinde (het plus-uiteinde) rekt vijf tot tien keer sneller uit dan het min-uiteinde. De actinemonomeren binden ook ATP, dat na de assemblage van de filamenten wordt gehydrolyseerd tot ADP. Hoewel ATP niet vereist is voor polymerisatie, polymeriseren actinemonomeren waaraan ATP gebonden is, sneller dan die waaraan ADP gebonden is. Zoals hieronder besproken, spelen ATP binding en hydrolyse een sleutelrol in het reguleren van de assemblage en het dynamische gedrag van actine filamenten.

Omdat actine polymerisatie reversibel is, kunnen filamenten depolymeriseren door de dissociatie van actine subeenheden, waardoor actine filamenten kunnen worden afgebroken wanneer dat nodig is (figuur 11.3). Er bestaat dus een schijnbaar evenwicht tussen actinemonomeren en filamenten, dat afhankelijk is van de concentratie van vrije monomeren. De snelheid waarmee actinemonomeren in filamenten worden opgenomen is evenredig met hun concentratie, zodat er een kritische concentratie van actinemonomeren is waarbij de snelheid van hun polymerisatie tot filamenten gelijk is aan de snelheid van dissociatie. Bij deze kritische concentratie zijn monomeren en filamenten in schijnbaar evenwicht.

Figuur 11.3. Omkeerbare polymerisatie van actinemonomeren.

Figuur 11.3

Omkeerbare polymerisatie van actinemonomeren. Actinepolymerisatie is een omkeerbaar proces, waarbij monomeren zowel associëren met als dissociëren van de uiteinden van actinefilamenten. De snelheid van dissociatie van subeenheden (koff) is onafhankelijk van de monomeerconcentratie, (meer…)

Zoals eerder opgemerkt groeien de twee uiteinden van een actinefilament met verschillende snelheden, waarbij aan het snelgroeiende uiteinde (het plus-uiteinde) vijf tot tien maal sneller monomeren worden toegevoegd dan aan het langzaamgroeiende (min-)uiteinde. Omdat ATP-actine minder snel dissocieert dan ADP-actine, resulteert dit in een verschil in de kritische concentratie van monomeren die nodig is voor polymerisatie aan de twee uiteinden. Dit verschil kan resulteren in het verschijnsel dat treadmilling wordt genoemd en dat het dynamische gedrag van actinefilamenten illustreert (figuur 11.4). Wil het systeem zich in een algemene stationaire toestand bevinden, dan moet de concentratie van vrije actinemonomeren het midden houden tussen de kritische concentraties die nodig zijn voor polymerisatie aan de plus- en min-uiteinden van de actinefilamenten. Onder deze omstandigheden is er een netto verlies van monomeren aan het min-uiteinde, dat wordt gecompenseerd door een netto toevoeging aan het plus-uiteinde. Treadmilling vereist ATP, waarbij ATP-actine polymeriseert aan het plus-uiteinde van de filamenten, terwijl ADP-actine dissocieert aan het min-uiteinde. Hoewel de rol van treadmilling in de cel onduidelijk is, kan het de dynamische assemblage en ontmanteling van actine filamenten weerspiegelen die nodig zijn voor cellen om te bewegen en van vorm te veranderen.

Figuur 11.4. Treadmilling.

Figuur 11.4

Treadmilling. De min-uiteinden groeien minder snel dan de plus-uiteinden van actinefilamenten. Dit verschil in groeisnelheid wordt weerspiegeld in een verschil in de kritische concentratie voor toevoeging van monomeren aan de twee uiteinden van het filament. Actine gebonden aan ATP (meer…)

Het is opmerkelijk dat verschillende geneesmiddelen die nuttig zijn in de celbiologie, werken door zich aan actine te binden en de polymerisatie ervan te beïnvloeden. Zo binden de cytochalasines zich aan de plus-einden van actinefilamenten en blokkeren hun rek. Dit leidt tot veranderingen in de celvorm en tot remming van sommige soorten celbewegingen (b.v. celdeling na mitose), hetgeen erop wijst dat actinepolymerisatie voor deze processen noodzakelijk is. Een ander geneesmiddel, falloïdine, bindt zich stevig aan actïnefilamenten en voorkomt dat deze uiteenvallen in afzonderlijke actinemoleculen. Phalloidine gelabeld met een fluorescerende kleurstof wordt vaak gebruikt om actine filamenten te visualiseren met behulp van fluorescentie microscopie.

In de cel worden zowel de assemblage als de disassemblage van actine filamenten gereguleerd door actine-bindende eiwitten (figuur 11.5). De omzet van actïnefilamenten is in de cel ongeveer 100 keer sneller dan in vitro, en deze snelle omzet van actine speelt een cruciale rol in een verscheidenheid van celbewegingen. Het belangrijkste eiwit dat verantwoordelijk is voor de ontmanteling van actinefilamenten in de cel is cofiline, dat zich bindt aan actinefilamenten en de snelheid van dissociatie van actinemonomeren aan het min-uiteinde verhoogt. Bovendien kan cofiline actinefilamenten doorsnijden, waardoor meer uiteinden ontstaan en de ontmanteling van filamenten verder wordt bevorderd.

Figuur 11.5. Effecten van actine-bindende eiwitten op filament turnover.

Figuur 11.5

Effecten van actine-bindende eiwitten op filament turnover. Cofiline bindt aan actine filamenten en verhoogt de snelheid van dissociatie van actine monomeren (gebonden aan ADP) van het min uiteinde. Cofiline blijft gebonden aan de ADP-actin monomeren en voorkomt dat deze weer worden samengevoegd (meer…)

Cofiline bindt zich bij voorkeur aan ADP-actine, zodat het na de demontage van de filamenten aan actinemonomeren gebonden blijft en deze in de ADP-gebonden vorm vasthoudt, waardoor ze niet opnieuw in de filamenten kunnen worden opgenomen. Een ander actine-bindend eiwit, profiline, kan dit effect van cofiline echter omkeren en de opname van actinemonomeren in filamenten stimuleren. Profiline werkt door de uitwisseling van gebonden ADP voor ATP te stimuleren, wat resulteert in de vorming van ATP-actinemonomeren, die van cofiline dissociëren en dan beschikbaar zijn voor assemblage tot filamenten. Andere eiwitten (Arp2/3 eiwitten) kunnen dienen als nucleatiepunten om de assemblage van nieuwe filamenten te initiëren, zodat cofiline, profiline en de Arp2/3 eiwitten (evenals andere actine-bindende eiwitten) samen kunnen werken om de snelle turnover van actine filamenten en de remodellering van het actine cytoskelet te bevorderen, die nodig is voor een verscheidenheid van celbewegingen en veranderingen in celvorm. Zoals te verwachten is, worden de activiteiten van cofiline, profiline en Arp2/3 eiwitten gecontroleerd door een verscheidenheid aan mechanismen voor celsignalering (besproken in hoofdstuk 13), waardoor actinepolymerisatie op de juiste wijze kan worden gereguleerd in reactie op omgevingsstimuli.

Laat een reactie achter

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *