Zarodkowanie mikrotubul
W biologii komórki zarodkowanie mikrotubul jest zdarzeniem, które inicjuje powstawanie de novo mikrotubul ( MT ) . Te włókna cytoszkieletu zazwyczaj tworzą się w wyniku polimeryzacji dimerów α- i β- tubuliny , podstawowych bloków budulcowych mikrotubuli, które początkowo oddziałują w celu zarodkowania nasion, z których wydłuża się włókno.
Zarodkowanie mikrotubul zachodzi spontanicznie in vitro , a roztwory oczyszczonej tubuliny dają początek polimerom pełnej długości. Dimery tubuliny, które tworzą polimery, mają wewnętrzną zdolność do samoagregacji i składania w cylindryczne rurki, pod warunkiem, że istnieje odpowiednia podaż GTP. Bariery kinetyczne takiego procesu oznaczają jednak, że szybkość, z jaką mikrotubule spontanicznie zarodkują, jest stosunkowo niska.
Rola γ-tubuliny i kompleksu pierścieni γ-tubuliny (γ-TuRC)
In vivo komórki omijają tę barierę kinetyczną, wykorzystując różne białka do wspomagania zarodkowania mikrotubul. Podstawowy szlak, za pomocą którego wspomagane jest zarodkowanie mikrotubul, wymaga działania trzeciego typu tubuliny, γ-tubuliny , która różni się od podjednostek α i β, z których składają się same mikrotubule. γ-tubulina łączy się z kilkoma innymi powiązanymi białkami, tworząc stożkową strukturę znaną jako kompleks pierścieniowy γ-tubuliny (γ-TuRC). Kompleks ten, ze swoją 13-krotną symetrią, działa jako rusztowanie lub matryca dla dimerów tubuliny α/β podczas procesu zarodkowania – przyspieszając składanie pierścienia z 13 protofilamentów które tworzą rosnącą mikrotubulę. γ-TuRC działa również jako czapeczka na końcu (-), podczas gdy mikrotubula kontynuuje wzrost od końca (+). Czapka ta zapewnia zarówno stabilność, jak i ochronę końca (-) mikrotubuli przed enzymami, które mogłyby prowadzić do jej depolimeryzacji, jednocześnie hamując wzrost (-) końca.
Zarodkowanie MT z centrów organizacji mikrotubul (MTOC)
γ-TuRC zwykle znajduje się jako podstawowa jednostka funkcjonalna w centrum organizacji mikrotubul (MTOC), takim jak centrosom w niektórych komórkach zwierzęcych lub ciała biegunów wrzeciona u grzybów i alg . γ-TuRC w centrosomie zarodkują szereg mikrotubul w interfazie , które rozciągają swoje (+)-końce promieniowo na zewnątrz do cytoplazmy w kierunku obrzeża komórki. Wśród innych funkcji ta radialna macierz jest wykorzystywana przez białka motoryczne oparte na mikrotubulach do transportu różnych ładunków, takich jak pęcherzyki, do błony plazmatycznej.
Centrosom jest najczęstszym MTOC dla komórek multipotentnych u zwierząt, ze zróżnicowanymi tkankami wykorzystującymi szeroką gamę niecentrosomalnych MTOC.
Niecentrosomalne MTOC
W komórkach zwierzęcych przechodzących mitozę podobny układ promieniowy jest generowany z dwóch MTOC zwanych biegunami wrzeciona , które wytwarzają dwubiegunowe wrzeciono mitotyczne. Jednak niektóre komórki, takie jak rośliny wyższe i oocyty, nie mają wyraźnych MTOC, a mikrotubule są zarodkowane na szlaku innym niż centrosomalny. Inne komórki, takie jak neurony, komórki mięśni szkieletowych i komórki nabłonkowe, które mają MTOC, posiadają macierze mikrotubul niezwiązanych z centrosomem. Te niecentrosomalne macierze mikrotubul mogą przybierać różne geometrie - na przykład te, które prowadzą do długiego, smukłego kształtu miotub , drobne wypustki aksonu lub silnie spolaryzowane domeny komórki nabłonka .
W komórkach nabłonkowych CAMSAP3 działa jako MTOC niecentrosomalny i jest zlokalizowany w błonie wierzchołkowej komórki. Mikrotubule wyrastają z tej domeny w równoległych liniach, nadając komórce jej prostokątny kształt.
Wczesne komórki mysiego zarodka przed implantacją wykorzystują unikalny niecentrosomalny MTOC w postaci międzyfazowego mostka mikrotubulowego łączącego komórki siostrzane. Ten mostek międzyfazowy organizuje mikrotubule obu komórek i wykorzystuje CAMSAP3 do wiązania minusowych końców mikrotubul.
Teoretyzuje się, że w macierzy korowej roślin, jak również w aksonach neuronów, mikrotubule zarodkują z istniejących mikrotubul poprzez działanie enzymów rozcinających, takich jak katanina . Podobnie do działania kofiliny w generowaniu macierzy włókien aktynowych, przecinanie mikrotubul przez MAP tworzy nowe końce plus (+), z których mogą rosnąć mikrotubule. W ten sposób dynamiczne macierze mikrotubul można generować bez pomocy γ-TuRC.
Rozgałęzione zarodkowanie MT
Badania z wykorzystaniem ekstraktów z jaja Xenopus pozwoliły zidentyfikować nową formę zarodkowania mikrotubul, która generuje wachlarzowate układy rozgałęzień, w których nowe mikrotubule rosną pod kątem w stosunku do starszych mikrotubul. Te rozgałęzione mikrotubule zachowują tę samą polarność, co ich mikrotubule macierzyste, a ich montaż obejmuje wiązanie niecentrosomalnych γ-TuRC z bokami istniejących mikrotubul przez kompleks augmin . Ta metoda zarodkowania mikrotubul zależnego od mikrotubul prowadzi do szybkiego amplifikacji gęstości mikrotubul.
Rozgałęzione zarodkowanie MT zaobserwowano w wielu organizmach zarówno w królestwie roślin, jak i zwierząt. Za pomocą mikroskopii TIRF naukowcy zaobserwowali wizualnie zarodkowanie rozgałęzionych mikrotubul w komórkach Drosophila podczas formowania się wrzeciona mitotycznego. Zidentyfikowano pięć białek w Drosophila (DGT2 do DGT6), które są niezbędne i odpowiedzialne za ułatwianie lokalizacji γ-tubuliny do istniejących MT i nie są związane z jej lokalizacją w centrosomie.
Rola białek związanych z mikrotubulami (MAP)
Chociaż γ-TuRC jest głównym białkiem używanym do zarodkowania mikrotubul, nie jest to jedyne białko, które działa jako czynnik zarodkowania. Kilka innych MAP wspomaga γ-TuRC w procesie zarodkowania, podczas gdy inne zarodkują mikrotubule niezależnie od γ-TuRC. W rozgałęzionym zarodkowaniu opisanym powyżej dodatek TPX2 do ekstraktów z jaja doprowadził do dramatycznego wzrostu zdarzeń zarodkowania - podczas gdy w innych badaniach białko XMAP215 , in vitro , zarodkowane astry mikrotubul z jego wyczerpaniem in vivo zmniejszenie potencjału zarodkowania centrosomów. Białko wiążące mikrotubule, doublecortin , in vitro zarodkuje mikrotubule — działając poprzez wiązanie raczej z boku niż z końcem rosnących mikrotubul. Zatem w komórkach może istnieć rodzina białek czynnika zarodkowania, które wykorzystują różne mechanizmy w celu obniżenia kosztu energetycznego mikrotubul zarodkowych. Ostatnie badania dostarczyły dowodów na koncepcję, że promowanie zarodkowania mikrotubul jest możliwe dzięki połączeniu dimerów α- i β- tubuliny oraz wspomnianego MAP TPX2 , nawet przy braku γ-TurC.
Kilka białek bierze udział w formatowaniu γ-TuRC oraz czasowej i przestrzennej kontroli zarodkowania mikrotubul. Należą do nich na przykład typu coiled-coil o funkcjach strukturalnych i białka regulatorowe, takie jak składniki cyklu Ran . NEDD1 rekrutuje γ-TuRC do centrosomu poprzez wiązanie się z γ-tubuliną.