9. Роль цитоскелета в позиционировании органелл и транспортных процессах

9.1. Типы цитоскелета, их основные свойства

Как известно, поддержание формы клетки, способность изменять ее при действии различных внешних факторов, в том числе механических, клеточная подвижность и клеточное деление обеспечивается цитоскелетом. Состоя из длинных белковых полимеров, цитоскеле́т фактически является очень динамичным внутриклеточным каркасом. Он важен также для позиционирования (поддержания взаимного расположения) органелл и везикулярного транспорта.

Выделяют несколько основных типов цитоскелета. Это полимеры актина, состоящие из двух спирально скрученных цепочек, которые образуют микрофиламенты диаметром 7 нм; они формируют кортикальный (подмембранный) цитоскелет, стресс-фибриллы и фибриллы растущего края (ламеллиподии). Второй тип представлен микротрубочками – полыми цилиндрами диаметром 20 нм, образованными параллельно лежащими протофиламентами, состоящими из димеров альфа- и бета-тубулина, выстроенных по принципу «голова к хвосту». Промежуточные филаменты могут образовываться разными белками (виментиновые, кератиновые и т. д.) и имеют диаметр в среднем около 13 нм, за что и получили свое название. Также к цитоскелету можно отнести сети из белка спектрина, способного взаимодействавать с другими типами цитоскелета и мембранами компартментов. Спектриновая сеть подстилает плазматическую мембрану, придавая ей большую механическую прочность, и окружает фактически все органеллы – эндосомы, аппарат Гольжди и т. д., которые оказываются заключенными в своеобразную «авоську». Спектрин играет важную роль в сигнальных внутриклеточных процессах.

Микрофиламенты (или F-актин) собираются под контролем белков, называемых факторами нуклеации и элонгации. Актин может связывать АТФ, и в АТФ-связанном состоянии микрофиламенты стабильны. Гидролиз АТФ и потеря фосфатной группы приводит к дестабилизации МФ. Таким образом, формируемые из актина структуры высокодинамичны, и могут легко перестраиваться под контролем АТФ, ионов Mg²⁺ и актин-связывающих белков (ABPs). Поскольку присоединение мономеров при росте цепи происходит только с одного конца, микрофиламенты приобретают свойство полярности. Актиновые МФ способны формировать очень сложные структуры в контексте всей клетки.

Димеры тубулина, составляющие микротрубочки (МТ), связывают ионы Mg²⁺ и ГТФ. Так называемый N-сайт (non-exchangable) на бета-тубулине, нагруженный ГТФ и магнием, поддерживают стабильность димера. ГТФ-связывающий сайт на альфа-тубулине называется E-сайтом (exchangable), поскольку связанный с ним ГТФ может гидролизоваться. Пока альфа-тубулин содержит ГТФ, МТ растет, а после гидролиза – деполимеризуется. Циклы гидролиза ГТФ лежат в основе феномена динамической нестабильности МТ, когда фаза деполимеризация (катастрофа, catastrophe) сменяется паузой и затем ростом (спасение, resque). Существует ряд белков, способных модулировать стабильность МТ. Поскольку димеры могут диссоциировать с двух концов МТ, а встраиваться – только с одного (так называемый «плюс-конец»), то микротрубочки, как и микрофиламенты, тоже обладают полярностью.

МТ образуют в клетках более простые системы, чем актин. Наиболее распространена так называемая радиальная организация, когда минус-концы микротрубочек сходятся в околоядерной области, как правило, на центросоме, а плюс-концы направлены к периферии, хотя нуклеация МТ, по всей видимости, может происходить не только на центросоме. В некоторых типах клеток МТ могут располагаться параллельно друг другу.

Тубулин может подвергаться пострансляционным модификациям, наиболее известные из них – детирозинирование (отщепление концевого остатка тирозина) и ацетилирование Lys40 альфа-тубулина. Физиологическое значение этих модификаций не вполне ясно. До последнего времени не были известны ацетилтрансферазы, работающие на МТ, зато показано, что деацетилированием занимается белок, принадлежащий к семейству гистоновых деацетилаз, HDAC6. Если подавить ее активность, то все МТ в клетке вскоре будут ацетилированы. Поскольку в норме ацетилтрансфераза предпочитает полимеризованный тубулин, а HDAC6 работает преимущественно на плюс-конце, то долгоживущие, стабильные МТ будут ацетилированы больше, чем динамичные. Поэтому ацетилирование часто рассматривают как маркер стабильности МТ.

Описание основных свойств цитоскелета было бы неполным без упоминания так называемых цитоскелетных моторов – белков или белковых комплексов, обладающих АТФазной активностью и способностью использовать энергию гидролиза для перемешения по полимеру. На актиновых микрофиламентах работают моторы миозины, а на МТ – два семейства моторов: обеспечивающий движение к минус-концу динеин, и в основном плюс-концевые моторы кинезины. Взаимодействие с ними позволяет активно перемещать везикулы и агрегаты молекул.

Существует предположение, что феномен динамической нестабильности, т. е. циклы укорочения/роста МТ, позволяет эффективнее осуществлять поиск и захват мишеней (напр., кинетохор хромосом, интернализующихся эндосом), поскольку после частичной разборки направление восстанавливающейся МТ уже отличается от предыдущего. Как правило, в стадии роста плюс-конец МТ кэпируется комплексом из нескольких белков, одним из которых является белок CLIP170 (cytoplasmic linker protein), который первые он был идентифицирован как белок эндосом, и лишь впоследствии выяснилась его связь с динамичными МТ. CLIP170 и другие кэпирующие белки, захватывая вновь сформированыые эндосомы, передают их затем динеину, тем самым делая возможным активный транспорт эндосом по МТ.

Свойства микротрубочек и их регуляция – огромная область исследований, далеко выходящая за рамки этого пособия. Белков и факторов внешней и внутриклеточной среды, способных влиять на организацию и свойства цитоскелета, великое множество, поэтому мы будем касаться только тех из них, которые имеют непосредственное отношение к основной теме.