Dynamiczna architektura komórki
W sercu każdej komórki eukariotycznej pulsuje życie cytoszkieletu – skomplikowanej sieci białek, która nadaje jej kształt, umożliwia podział, fagocytozę i przede wszystkim: ruch (Alberts i in., 2016; Dominguez i Holmes, 2011). Jednym z najważniejszych składników tej sieci jest aktyna, białko występujące zarówno jako monomeryczna G-aktyna, jak i w postaci długich filamentów – F-aktyny (Lee i Dominguez, 2010).
Dla komórki poruszającej się w odpowiedzi na bodziec chemiczny reorganizacja aktyny to kwestia „być albo nie być”. Dwa białka grają tu pierwsze skrzypce: kompleks Arp2/3, który buduje sieć filamentów, oraz kofilina, która ją przecina i przekształca (Carlier i in., 1999; Andrianantoandro i Pollard, 2006).
Arp2/3 – mikroskopijny architekt cytoszkieletu
Kompleks Arp2/3 składa się z siedmiu podjednostek, z czego dwie – Arp2 i Arp3 – mają strukturę niemal identyczną jak monomer aktyny (Litwiniec i in., 2006; Mullins i Pollard, 1999). Ta cecha umożliwia im imitowanie początka nowego filamentu, czyli zarodkowanie (nukleację) (May, 2001).
Ale to nie wszystko. Arp2/3 przyczepia się do istniejącego włókna aktynowego i rozpoczyna budowę nowego odgałęzienia pod kątem około 70°, tworząc tzw. model dendrytyczny (Goldberg, 2001; Stepień i in., 2006). Dzięki temu w obrębie czoła komórki powstaje sztywna, gęsta sieć F-aktyny, która wypycha błonę i umożliwia ruch w określonym kierunku.
Kofilina – strażnik przepływu aktyny
Podczas gdy Arp2/3 buduje, kofilina rozmontowuje. To białko depolimeryzujące, które wiąże się z F-aktyną w stanie ADP i przecina filamenty, tworząc nowe końce kolczaste (Bugyi i Carlier, 2010; Ostrowska i Moraczewska, 2017). Na tych końcach Arp2/3 może zainicjować kolejne odgałęzienia (Andrianantoandro i Pollard, 2006; Gross, 2013).
Kofilina nie działa jednak cały czas – jej aktywność jest ściśle regulowana przez mechanizm fosforylacji. W formie ufosforylowanej jest nieaktywna, a defosforylacja zależna od fosfatazy SSH przywraca jej zdolność do przecinania filamentów (Huang i in., 2006; Prunier i in., 2017).
Współpraca, nie konkurencja
Mimo pozornej sprzeczności funkcji, Arp2/3 i kofilina działają synergistycznie: kofilina dostarcza końców, Arp2/3 wykorzystuje je do rozgałęziania (Jovceva i in., 2007). Taka koordynacja umożliwia błyskawiczną reorganizację sieci aktynowej – szczególnie na przednim brzegu komórki (lamellipodium), gdzie zachodzi największe natężenie polimeryzacji (Stepień i in., 2006).
Co reguluje tę równowagę?
Aktywność Arp2/3 regulowana jest m.in. przez białka z rodziny WASP, które – po związaniu z fosfatydyloinozytolem PIP2 i białkiem Cdc42 – zwiększają zdolność Arp2/3 do nukleacji aż 50-krotnie (Goldberg, 2001; Watson i in., 2017).
Z kolei kofilina jest celem działania kinaz LIM (LIMK1, LIMK2), które ją fosforylują i dezaktywują. Ten mechanizm uruchamiany jest przez szlaki sygnałowe aktywowane przez receptory, takie jak P2Y2, oddziałujące z białkami Rac i Cdc42, co reguluje lokalną aktywność kofiliny (Edwards i in., 1999; Kłopocka i Korczyński, 2014).
Kiedy dynamiczny cytoszkielet staje się zagrożeniem?
W warunkach patologicznych – np. w komórkach nowotworowych – ta sama dynamiczna plastyczność cytoszkieletu aktynowego pozwala na migrację i inwazję (Gross, 2013; Popow-Woźniak i in., 2009). Komórki glejowe potrafią wykorzystać nadaktywność szlaku P2Y2–Rac–PAK–LIM–kofilina, by zwiększyć swoją ruchliwość, ominąć bariery tkankowe i przeniknąć w nowe środowiska (Kłopocka i in., 2013).
Literatura cytowana:
Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A. D., Lewis, J., Raff, M. i Walter, P. (2016). Podstawy biologii komórki. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.
Andrianantoandro, E. i Pollard, T. D. (2006). Mechanism of actin filament turnover by severing and nucleation at different concentrations of ADF/cofilin. Molecular Cell, 24(1), 13–23.
Bugyi, B. i Carlier, M. F. (2010). Control of actin filament treadmilling in cell motility. Annual Review of Biophysics, 39, 449–470.
Carlier, M. F., Ressad, F. i Pantaloni, D. (1999). Control of actin dynamics in cell motility: role of ADF/cofilin. Journal of Biological Chemistry, 274(48), 33827–33830.
Dominguez, R. i Holmes, K. C. (2011). Actin structure and function. Annual Review of Biophysics, 40, 169–186.
Edwards, D. C., Sanders, L. C., Bokoch, G. M. i Gill, G. N. (1999). Activation of LIM-kinase by Pak1 couples Rac/Cdc42 GTPase signalling to actin cytoskeletal dynamics. Nature Cell Biology, 1(5), 253–259.
Goldberg, M. B. (2001). Actin-based motility of intracellular microbial pathogens. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 65(4), 595–626.
Gross, S. R. (2013). Actin binding proteins: their ups and downs in metastatic life. Cell Adhesion & Migration, 7(2), 199–213.
Huang, T. Y., DerMardirossian, C. i Bokoch, G. M. (2006). Cofilin phosphatases and regulation of actin dynamics. Current Opinion in Cell Biology, 18(1), 26–31.
Jovceva, E., Larsen, M. R., Waterfield, M. D., Baum, B. i Timms, J. F. (2007). Dynamic cofilin phosphorylation in the control of lamellipodial actin homeostasis. Journal of Cell Science, 120(11), 1888–1897.
Kłopocka, W. i Korczyński, J. (2014). Receptory nukleotydowe a dynamika cytoszkieletu aktynowego. Postępy Biochemii, 60(4), 447–455.
Kłopocka, W., Korczyński, J. i Pomorski, P. (2013). Cytoskeleton and nucleotide signaling in glioma C6 cells. W: Weisman, G. A. (red.), Glioma Signaling, ss. 103–119.
Lee, S. H. i Dominguez, R. (2010). Regulation of actin cytoskeleton dynamics in cells. Molecules and Cells, 29(4), 311–325.
Litwiniec, A., Grzanka, A. i Stępień, A. (2006). Kompleks Arp2/3 jako kluczowy czynnik polimeryzacji aktyny. Kosmos, 55(2–3), 287–293.
May, R. C. (2001). The Arp2/3 complex: a central regulator of the actin cytoskeleton. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS, 58(11), 1607–1626.
Mullins, R. D. i Pollard, T. D. (1999). Structure and function of the Arp2/3 complex. Current Opinion in Structural Biology, 9(2), 244–249.
Ostrowska, Z. i Moraczewska, J. (2017). Kofilina – białko kontrolujące dynamikę filamentów aktynowych. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 71, 1–10.
Popow-Woźniak, A., Nowak, D. i Malicka-Błaszkiewicz, M. (2009). Sposoby migracji komórek nowotworowych. Postępy Biochemii, 55(2), 180–188.
Prunier, C., Prudent, R., Kapur, R., Sadoul, K. i Lafanechère, L. (2017). LIM kinases: cofilin and beyond. Oncotarget, 8(25), 41749.
Stępień, A., Grzanka, A. i Szpechciński, A. (2006). Struktury cytoszkieletu aktynowego formowane przy krawędzi wiodącej komórki podczas pierwszego etapu migracji. Postępy Biologii Komórki, 33(2), 381–392.
Watson, J. R., Owen, D. i Mott, H. R. (2017). Cdc42 in actin dynamics: An ordered pathway governed by complex equilibria and directional effector handover. Small GTPases, 8(4), 237–244.