Katanin - Katanin
Katanin é uma proteína AAA de separação de microtúbulos . Tem o nome de uma espada japonesa chamada katana . Katanin é uma proteína heterodimérica descoberta pela primeira vez em ouriços-do-mar . Ele contém uma subunidade de 60 kDa ATPase , codificada por KATNA1 , que funciona para cortar microtúbulos. Esta subunidade requer ATP e a presença de microtúbulos para ativação. A segunda subunidade de 80 kDA, codificada por KATNB1 , regula a atividade da ATPase e localiza a proteína nos centrossomas . A microscopia eletrônica mostra que a catanina forma anéis de 14-16 nm em seu estado oligomerizado ativo nas paredes dos microtúbulos (embora não ao redor do microtúbulo).
Mecanismo e regulação do comprimento do microtúbulo
A análise estrutural usando microscopia eletrônica revelou que os protofilamentos dos microtúbulos mudam de uma conformação reta para uma curva após a hidrólise de GTP da β- tubulina . No entanto, quando esses protofilamentos fazem parte de um microtúbulo polimerizado, as interações de estabilização criadas pela rede circundante bloqueiam as subunidades em uma conformação reta, mesmo após a hidrólise do GTP . Para interromper essas interações estáveis, a catanina, uma vez ligada ao ATP, oligomeriza em uma estrutura em anel na parede do microtúbulo - em alguns casos, a oligomerização aumenta a afinidade da catanina pelos microtúbulos e estimula sua atividade ATPase. Uma vez que essa estrutura é formada, a catanina hidrolisa ATP e provavelmente sofre uma mudança conformacional que coloca pressão mecânica nas subunidades da tubulina, o que desestabiliza suas interações dentro da rede de microtúbulos. A mudança conformacional prevista também provavelmente diminui a afinidade da catanina pela tubulina, bem como por outras proteínas da catanina, o que leva à desmontagem da estrutura do anel da catanina e à reciclagem das proteínas individuais inativadas.
A separação dos microtúbulos pela catanina é regulada por fatores de troca de nucleotídeos , que podem trocar ADP com ATP, proteínas associadas aos microtúbulos protetores (MAPs) e a subunidade p80 (p60 separa os microtúbulos muito melhor na presença de p80). Esses mecanismos têm consequências diferentes, dependendo de onde na célula eles são ativados ou interrompidos. Por exemplo, permitir a separação mediada por catanina no centrossoma libera microtúbulos para movimento livre. Numa experiência, anti-katanin anticorpos foram injectados numa célula, causando uma grande acumulação de microtúbulos em torno do centrossoma e inibição do crescimento de microtúbulos. Portanto, o corte mediado pela catanina pode servir para manter a organização no citoplasma , promovendo a desmontagem dos microtúbulos e o movimento eficiente. Durante a divisão celular, o corte no pólo do fuso produz extremidades livres dos microtúbulos e permite o fluxo de tubulina para o pólo e a retração do microtúbulo. Cortar os microtúbulos no citoplasma facilita a esteira e a mobilidade, o que é importante durante o desenvolvimento.
Papel na divisão celular
A separação de microtúbulos mediada por catanina é uma etapa importante na mitose e meiose . Foi demonstrado que a catanina é responsável por cortar os microtúbulos durante a fase M em Xenopus laevis . A desmontagem dos microtúbulos de suas estruturas de interfase é necessária para preparar a célula e o fuso mitótico para a divisão celular. Essa regulação é indireta: as proteínas MAP, que protegem os microtúbulos de serem rompidos durante a interfase, se dissociam e permitem que a catanina atue. Além disso, a catanina é responsável por separar os microtúbulos nos fusos mitóticos quando a desmontagem é necessária para separar as cromátides irmãs durante a anáfase . Resultados semelhantes foram obtidos em relação à atividade da catanina durante a meiose em C. elegans . Foi relatado que Mei-1 e Mei-2 codificam proteínas semelhantes às subunidades p60 e p80 da catanina. Usando anticorpos, essas duas proteínas foram encontradas para se localizar nas extremidades dos microtúbulos no fuso meiótico e, quando expressas em células HeLa , essas proteínas iniciaram a separação dos microtúbulos. Essas descobertas indicam que a catanina serve a um propósito semelhante tanto na mitose quanto na meiose na segregação de cromátides em direção aos pólos do fuso.
Papel no desenvolvimento
Katanin é importante no desenvolvimento de muitos organismos. Tanto a eliminação quanto a superexpressão da catanina são deletérias para o crescimento axonal e, portanto, a catanina deve ser cuidadosamente regulada para o desenvolvimento neural adequado. Em particular, cortar microtúbulos em espaços celulares específicos permite que os fragmentos testem várias rotas de crescimento. Katanin provou ser necessário nesta tarefa. Um experimento usando imagem digital de lapso de tempo de tubulina marcada com fluorescência demonstrou que os cones de crescimento de axônio pausam e os microtúbulos se fragmentam em locais de ramificação durante o desenvolvimento neural.
Uma experiência semelhante utilizando tubulina marcado por fluorescência observada fragmentação microtúbulos local em tritão pulmão de células lamelipios durante a migração do desenvolvimento, em que os fragmentos ser perpendicular à membrana celular avançando para exploração auxílio. A natureza local de ambos os eventos de fragmentação provavelmente indica a regulação pela catanina porque ela pode estar concentrada em regiões celulares específicas. Isso é corroborado por um estudo que demonstrou que a mutação Fra2, que afeta um ortólogo de catanina em Arabidopsis thaliana , leva a uma disposição aberrante de microfibrilas de celulose ao longo da parede celular em desenvolvimento nessas plantas. Essa mutação produziu um fenótipo com alongamento celular reduzido, o que sugere a importância da catanina no desenvolvimento de uma ampla gama de organismos.
Função em neurônios
O Katanin é conhecido por ser abundante no sistema nervoso e mesmo em níveis modestos pode causar depleção significativa dos microtúbulos. Mas os microtúbulos precisam ser cortados em todos os outros compartimentos do neurônio para que um número suficiente de microtúbulos possa ser transportado rapidamente.
No sistema nervoso, a proporção das duas subunidades é dramaticamente diferente de outros órgãos do corpo. Portanto, é importante ser capaz de regular a proporção para controlar a separação dos microtúbulos. O monômero p80 é encontrado em todos os compartimentos do neurônio, o que significa que sua função não pode ser apenas atingir a catanina. O p80 katanin possui múltiplos domínios com diferentes funções. Um domínio tem como alvo o centrossoma, outro aumenta a separação dos microtúbulos pela katanina p60 e o último suprime a separação dos microtúbulos. A abundância de catanina nos neurônios mostra que eles podem se mover ao longo do axônio. Há quebra de microtúbulos nos pontos dos ramos axonais e nos cones de crescimento dos neurônios. A distribuição da catanina no neurônio ajuda a entender o fenômeno para regular o comprimento e o número dos microtúbulos, bem como liberar os microtúbulos do centrossoma.
Acredita-se que a katanina seja regulada pela fosforilação de outras proteínas. Os microtúbulos se dividem em fibroblastos após uma ligeira flexão. Mas, quando o katanin está presente, a dobra pode levar à quebra porque aumenta o acesso do katanin à rede.
Função nas plantas
Katanin também tem funções semelhantes em plantas superiores. A forma e a estrutura de uma célula vegetal são determinadas pela rígida parede celular , que contém celulose altamente organizada, cuja orientação é afetada por microtúbulos que servem para guiar a deposição das fibras formadoras. A orientação das microfibrilas de celulose dentro da parede celular é determinada pelos microtúbulos, que estão alinhados perpendicularmente ao eixo principal de expansão celular. Como as células vegetais não têm centrossomas tradicionais, a catanina se acumula no envelope nuclear durante a pré-prófase e a prófase , onde os microtúbulos do fuso estão se formando.
Durante o alongamento da célula, os microtúbulos devem ajustar sua orientação constantemente para acompanhar o aumento do comprimento da célula. Essa mudança constante na organização dos microtúbulos foi proposta para ser realizada pela rápida desmontagem, montagem e translocação dos microtúbulos. Recentemente, mutações no homólogo de catanina vegetal alteram as transições na organização dos microtúbulos, que, por sua vez, causam prejuízos na deposição adequada de celulose e hemicelulose . Presume-se que isso seja causado pela falta de capacidade da célula vegetal de regular os comprimentos dos microtúbulos.
Não há homólogo para a subunidade reguladora da catanina p80. Portanto, um At-p60 marcado com His foi feito para descrever suas funções em plantas. A His-A-p60 pode cortar microtúbulos in vitro , na presença de ATP. Ele interage diretamente com os microtúbulos em ensaios de co-sedimentação. A atividade da ATPase foi estimulada de forma não hiperbólica. A hidrólise do ATP é estimulada em uma relação tubulina / At-p60 baixa e inibida em proporções mais altas. As proporções baixas favorecem as interações da subunidade katanina, enquanto as proporções altas mostram prejuízo. O At-p60 pode oligomerizar como os dos animais. O At-p60 interage diretamente com os microtúbulos, enquanto o p60 animal se liga por meio de seus terminais-N . A parte N-terminal do p60 não está bem conservada entre os reinos vegetal e animal.