Актин

Актин — это глобулярный белок, образующий микрофиламенты, один из основных компонентов цитоскелета эукариотических клеток. Актин является наиболее распространённым внутриклеточным белком, его содержание может достигать 5–10 % от общей массы клеточных белков. Он играет ключевую роль в обеспечении механической поддержки клетки, её подвижности, делении, внутриклеточном транспорте и передаче сигналов. В комплексе с миозином актин образует сократительный аппарат мышечных клеток, обеспечивая мышечное сокращение.

История открытия

Первые наблюдения актина были сделаны в 1887 году, когда немецкий учёный Вильгельм Кюне описал вязкое вещество, выделенное из мышечных волокон, которое он назвал «миозин». Однако сам актин был идентифицирован значительно позже. В 1942 году советские биохимики Александр Иванович Опарин и Михаил Николаевич Любимова в ходе исследований мышечных белков выделили фракцию, обладающую способностью полимеризоваться. В 1943 году американский биохимик Ференц Б. Штрауб независимо описал белок, который он назвал «актином» (от лат. actio — действие), подчеркнув его роль в активации миозина.

В 1950-х годах с помощью электронной микроскопии были визуализированы актиновые филаменты, а в 1960-х годах установлена их структура. В 1990 году была определена трёхмерная структура мономера актина с помощью рентгеновской кристаллографии.

Структура и изоформы

Молекулярная структура

Актин представляет собой глобулярный белок с молекулярной массой около 42 кДа. Его полипептидная цепь состоит из 375 аминокислотных остатков и свёрнута в два основных домена (большой и малый), разделённых глубокой щелью. В этой щели находится сайт связывания нуклеотидов (АТФ или АДФ) и ион магния (Mg²⁺). АТФ-связанная форма актина (G-актин) способна полимеризоваться, образуя длинные нити — F-актин.

Изоформы

У млекопитающих существует несколько изоформ актина, кодируемых разными генами. Они подразделяются на три основных класса:

• α-актин — характерен для мышечных тканей (скелетных, сердечных, гладких мышц). Участвует в сократительном аппарате.
• β-актин — экспрессируется в немышечных клетках, входит в состав цитоскелета, участвует в клеточной подвижности.
• γ-актин — также присутствует в немышечных клетках, особенно в цитоплазме и в составе стресс-фибрилл.

Изоформы различаются по аминокислотной последовательности в N-концевой области, что влияет на их взаимодействие с актин-связывающими белками.

Полимеризация и динамика

Процесс полимеризации

Актин существует в двух формах: глобулярной (G-актин) и филаментозной (F-актин). Полимеризация G-актина в F-актин происходит в несколько этапов:

1. Нуклеация — образование стабильного тримера (зародыша) из трёх мономеров G-актина, связанных с АТФ. Этот этап является медленным и лимитирующим.
2. Элонгация — быстрое присоединение новых мономеров к обоим концам растущей нити. Скорость присоединения на «плюс-конце» (барбитат-конце) выше, чем на «минус-конце» (заострённом конце).
3. Установление стационарного состояния — когда скорость присоединения мономеров на плюс-конце уравновешивается скоростью диссоциации на минус-конце. Это явление называется «тредмиллинг» (бег на месте).

Гидролиз АТФ

После включения в филамент мономер актина гидролизует связанную АТФ до АДФ и неорганического фосфата (Pi). Высвобождение Pi происходит с задержкой, что создаёт зону АДФ-актина в старых участках нити. АДФ-актин обладает меньшей стабильностью и быстрее диссоциирует с минус-конца. Этот цикл гидролиза АТФ является движущей силой динамики актинового цитоскелета.

Регуляция

Процессы полимеризации и деполимеризации актина регулируются множеством актин-связывающих белков:

• Профилин — связывает G-актин и способствует обмену АДФ на АТФ, стимулируя полимеризацию.
• Кофилин — связывает АДФ-актин и ускоряет деполимеризацию на минус-конце.
• Тимозин β4 — секвестрирует G-актин, предотвращая его спонтанную полимеризацию.
• Арp2/3-комплекс — инициирует образование новых ветвей от существующих филаментов.
• Формины — нуклеируют и удлиняют неветвящиеся филаменты.
• Гелсолин — разрезает филаменты и «кэпирует» (закрывает) их плюс-концы.

Функции

Цитоскелет и механическая поддержка

Актиновые микрофиламенты (диаметром около 7 нм) образуют трёхмерную сеть под плазматической мембраной (кортикальный актин), придавая клетке механическую прочность и определяя её форму. Вместе с микротрубочками и промежуточными филаментами актин составляет цитоскелет.

Клеточная подвижность

Актин является основным двигателем клеточной подвижности. В передней части движущейся клетки (например, фибробласта или нейтрофила) происходит активная полимеризация актина, формирующая выпячивания — ламеллоподии и филоподии. Эти структуры «толкают» мембрану вперёд. В задней части клетки актин сокращается, подтягивая тело клетки.

Мышечное сокращение

В мышечных клетках актин образует тонкие филаменты саркомеров. Взаимодействие актина с миозиновыми головками, регулируемое тропонином и тропомиозином, приводит к скольжению филаментов и сокращению мышцы. Этот процесс описывается моделью скользящих нитей.

Деление клеток

Во время цитокинеза (деления цитоплазмы) актин и миозин образуют сократительное кольцо, которое стягивается, разделяя дочерние клетки.

Внутриклеточный транспорт

Актиновые филаменты служат «рельсами» для движения везикул и органелл с помощью моторных белков — миозинов (например, миозин V). Этот транспорт особенно важен в длинных отростках нервных клеток (аксонах и дендритах).

Эндоцитоз и экзоцитоз

Актин участвует в формировании эндоцитозных ямок и отрыве везикул от мембраны, а также в доставке секреторных пузырьков к плазматической мембране.

Передача сигналов

Актиновый цитоскелет взаимодействует с сигнальными путями, регулирующими рост, дифференцировку и апоптоз клеток. Например, малые ГТФазы семейства Rho (Rho, Rac, Cdc42) контролируют сборку и разборку актиновых структур в ответ на внешние стимулы.

Актин-связывающие белки

Существует более 100 различных белков, которые взаимодействуют с актином. Их можно классифицировать по функциям:

• Мономер-связывающие: профилин, тимозин β4.
• Кэпирующие: капZ, гелсолин (кэпируют плюс-конец).
• Разрезающие: гелсолин, кофилин.
• Сшивающие: филамин, α-актинин.
• Моторные: миозины (I, II, V, VI и др.).
• Нуклеирующие: Arp2/3-комплекс, формины.

Патологии

Мутации в генах актина или нарушения его регуляции связаны с рядом заболеваний человека:

• Миопатии — мутации в α-актине (ген ACTA1) вызывают немалиновую миопатию, характеризующуюся мышечной слабостью.
• Кардиомиопатии — мутации в сердечном α-актине (ген ACTC1) приводят к дилатационной кардиомиопатии.
• Иммунодефициты — дефекты в актин-связывающих белках (например, в WASP-белке) вызывают синдром Вискотта-Олдрича, при котором нарушается подвижность иммунных клеток.
• Рак — изменения в экспрессии и организации актина способствуют инвазии и метастазированию опухолевых клеток. Например, повышенная экспрессия кофилина коррелирует с агрессивностью некоторых видов рака.
• Нейродегенеративные заболевания — нарушения динамики актина наблюдаются при болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона.

Методы исследования

Для изучения актина используются различные методы:

• Электронная микроскопия — визуализация филаментов.
• Флуоресцентная микроскопия — окрашивание актина фаллоидином (связывается с F-актином) или экспрессия GFP-актина.
• Спектроскопия — изучение кинетики полимеризации.
• Рентгеновская кристаллография — определение атомной структуры G-актина.
• Масс-спектрометрия — анализ посттрансляционных модификаций актина (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование).

Интересные факты

• Актин является одним из наиболее консервативных белков: последовательность актина человека и дрожжей совпадает на 90 %.
• В клетках млекопитающих актин составляет до 15 % от общего белка в некоторых типах клеток (например, в тромбоцитах).
• Актин способен полимеризоваться в присутствии высоких концентраций соли (например, 100 мМ KCl) или ионов магния.
• Некоторые бактериальные токсины (например, токсины Clostridium botulinum и Clostridium perfringens) модифицируют актин, нарушая его полимеризацию и вызывая гибель клеток.
• В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена Жан-Пьеру Соважу, Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге за создание молекулярных машин, вдохновлённых, в том числе, работой актина и миозина.

Источники

• Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. Garland Science, 2014.
• Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., et al. Molecular Cell Biology. 8th ed. W. H. Freeman, 2016.
• Pollard, T. D., Earnshaw, W. C. Cell Biology. 2nd ed. Saunders, 2007.
• Dominguez, R., Holmes, K. C. «Actin structure and function». Annual Review of Biophysics, 2011, 40: 169–186.
• Pollard, T. D., Cooper, J. A. «Actin, a central player in cell shape and movement». Science, 2009, 326(5957): 1208–1212.