Katanina
A katanina ou catanina é unha proteína que corta os microtúbulos, e que recibe o seu nome por analoxía coa espada xaponesa catana (刀) e a súa capacidade de cortar. A katanina é unha proteína AAA[1] heterodimérica descuberta primeiramente no ourizo de mar. Contén unha subunidade de tipo ATPase de 60 kDa, que funciona como cortadora dos microtúbulos. Esta subunidade necesita ATP e a presenza de microtúbulos para a súa activación. Unha segunda subunidade de 80 kDA regula a actividade da ATPase e localiza a proteína nos centrosomas.[2] A microscopia electrónica mostra que a katanina forma aneis de 14–16 nm no seu estado activo oligomerizado nas paredes dos microtúbulos.
Mecanismo e regulación da lonxitude dos microtúbulos[editar | editar a fonte]
A análise estrutural usando microscopio electrónico revelou que os protofilamentos dos microtúbulos cambian desde unha conformación recta a unha curvada por medio da hidrólise de GTP de β-tubulina. Porén, cando estes protofilamentos forman parte dun microtúbulo polimerizado, as interaccións estabilizantes creadas polo tramado que a rodea fixan as subunidades na conformación recta, mesmo despois da hidrólise GTP.[3] Para interromper estas interaccións estables, a katanina, unha vez unida ao ATP, oligomerízase nunha estrutura en anel sobre a parede do microtúbulo; nalgúns casos a oligomerización incrementa a afinidade da katanina polos microtúbulos e estimula a súa actividade de ATPase. Unha vez que se forma esta estrutura, a katanina hidroliza o ATP, e probablemente sofre un cambio conformacional que crea unha tensión mecánica nas subunidades de tubulina, o cal desestabiliza as súas interaccións no tramado do microtúbulo. Os cambios conformacionais preditos probablemente tamén fan diminuír a afinidade da katanina pola tubulina e por outras unidades da proteína katanina, o cal produce a desensamblaxe da estrutura en anel da catanina, e recicla as proteínas individuais inactivadas.[4]
O corte dos microtúbulos que fai a katanina está regulado polo factor de intercambio de nucleótidos (que pode intercambiar ADP e ATP), e polas proteínas asociadas aos microtúbulos (MAPs), e a subunidade p80 (a p60 corta os microtúbulos moito mellor en presenza de p80). Estes mecanismos teñen diferentes consecuencias, dependendo de en que parte da célula se activan ou alteran. Por exemplo, permitir un corte mediado por katanina nos centrosomas libera os microtúbulos para que se movan libremente. Nun experimento, inxectáronse anticorpos anitikatanina nunha célula, causando unha grande acumulación de microtúbulos arredor do centrosoma e inhibía que brotasen novos microtúbulos.[5] Por tanto, o corte mediado por katanina pode servir para manter a organización no citoplasma ao promover a desensamblaxe dos microtúbulos e un movemento eficiente. Durante a división celular, o corte no polo do fuso acromático produce extremos de microtúbulos libres e permite un fluxo cara aos polos de tubulina e a retracción do microtúbulo. O corte dos microtúbulos no citoplasma facilita o funcionamento da "cinta transportadora" de subunidades aos extremos do microtúbulo e a mobilidade, o cal é importante durante o desenvolvemento.
Funcións na división celular[editar | editar a fonte]
O corte de microtúbulos mediado por katanina é un importante paso na mitose e meiose. A katanina é a responsablre de cortar os microtúbulos durante a fase M no anfibio Xenopus laevis.[6] A desensamblaxe de microtúbulos desde as súas estruturas da interfase é necesaria para preparar a célula e o fuso mitótico para a división celular. Esta regulación é indirecta: as proteínas MAP, que protexen os microtúbulos de ser cortados durante a interfase, disócianse e permiten á katanina actuar.[7] Ademais, a katanina é responsable de cortar os microtúbulos nos fusos mitóticos cando é necesaria a súa desensamblaxe para segregar as cromátides irmás durante a anafase.[6]
Observáronse resultados similares en relación á actividade da katanina durante a meiose no nematodo C. elegans.[8] Informouse que as proteínas Mei-1 e Mei-2 codifican nese verme proteínas similares ás subunidades p60 e p80 da katanina. Utilizando anticorpos, estas dúas proteínas encontráronse localizadas nos extremos dos microtúbulos no fuso meiótico, e, cando se expresan en células HeLa, estas proteínas iniciaban o corte dos microtúbulos. Estes descubrimentos indican que a katanina desempeña un papel similar na mitose e na meiose consistente en intervir na segregación das cromátides cara aos pólos do fuso.
Funcións no desenvolvemento[editar | editar a fonte]
A katanina é importante no desenvolvemento de moitos microorganismos. Tanto a eliminación coma a sobreexpresión da katanina é deletérea para o crecemento do axón, e, así a katanina debe estar coidadosamente regulada para que haxa un axeitado desenvolvemento neural.[9] En concreto, o corte de microtúbulos en espazos celulares específicos permite que os fragmentos proben varias rutas de crecemento. A katanina é necesaria nesta tarefa. Un experimento no que se usaban imaxes aceleradas despois dun tempo longo de gravación de tubulina etiquetada fluorescentemente demostrou que o crecemento do cono axónico se detén, e os microtúbulos fragméntanse, en puntos de ramificación durante o desenvolvemento neural.[10]
Un experimento similar utilizando tubulina etiquetada fluorescentemente observou a fragmentación de microtúbulos locais en lamelipodios de células de pulmón de tritón durante a migración no desenvolvemento, na cal os fragmentos corrían perpendicularmente á membrana celular que avanzaba para axudar á exploración.[11] A natureza local de ambos os eventos de fragmentación probablemente indica unha regulación por katanina porque pode estar concentrada en rexións celulares específicas. Isto está apoiado por un estudo que demostra que a mutación Fra2, que afecta ao ortólogo da katanina en Arabidopsis thaliana, orixina unha disposición anormal de microfibrilas de celulosa ao longo da parede celular en desenvolvemento nestas plantas.[12] Esta mutación produciu un fenotipo que presentaba un alongamento celular reducido, o que suxire a importancia que ten a katanina no desenvolvemento dunha ampla gama de organismos.
Funcións en neuronas[editar | editar a fonte]
A katanina é abundante no sistema nervioso e mesmo niveis modestos desta proteína poden causar unha depleción significativa dos microtúbulos. Pero os microtúbulos teñen que ser cortados noutros compartimentos da neurona para que haxa un número dabondo de microtúbulos que poidan ser transportados rapidamente ao axón.
No sistema nervioso, a proporción das dúas subunidades é drasticamente diferente comparada coa doutros órganos do corpo. Por tanto, é importante poder regular a proporción para controlar o corte de microtúbulos. O monómero p80 encóntrase en todos os compartimentos da neurona, o que significa que a súa función non pode ser só a de unirse á katanina. A katanina p80 ten moitos dominios con diferentes funcións. Un dominio únese ao centrosoma, outro aumenta o corte dos microtúbulos pola katanina p60, e o último suprime o corte dos microtúbulos.[13] A abundancia da katanina nas neuronas mostra que pode moverse ao longo do axón. Hai unha rotura de microtúbulos en puntos da rama axonal e nos conos de crecemento das neuronas. A distribución da katanina nas neuronas axuda a comprender o fenómeno da regulación da lonxitude e número de microtúbulos, e a liberación de microtúbulos do centrosoma.
A katanina crese que está regulada pola fosforilación doutras proteínas. Os microtúbulos rompen nos fibroblastos despois de seren lixeiramente dobrados. Pero, cando está presente a katanina, o dobramento pode orixinar a rotura porque facilita o acceso da katanina ao retículo microtubular.[7]
Funcións en plantas[editar | editar a fonte]
A katanina tamén ten funcións similares nas plantas superiores. A forma e a estrutura dunha célula vexetal están determinadas pola súa ríxida parede celular, que contén celulosa moi organizada, a orientación da cal está afectada polos microtúbulos que serven para guiar a deposición das fibras en formación. A orientación das microfibrilas de celulosa na parede celular está determinada polos microtúbulos, os cales están aliñados perpendicularmente ao eixe maior da expansión celular.[14] Como as células das plantas carecen de centrosomas típicos, a katanina acumúlase nelas na envoltura nuclear durante a pre-profase e a profase, períodos nos que se está a formar o fuso de microtúbulos.
Durante a elongación da célula, os microtúbulos deben axustar a súa orientación constantemente para manter o ritmo do incremento da lonxitude celular. Este constante cambio na organización dos microtúbulos propúxose que se realiza pola rápida desensamblaxe, ensamblaxe e translocación dos microtúbulos.[15] Recentemente, comprobouse que as mutacións no homólogo das plantas da katanina alteran as transicións na organización dos microtúbulos, o cal, á súa vez, causa deficiencias na correcta deposición da celulosa e hemicelulosa. Isto pénsase que está causado pola falta de capacidade da célula destas plantas de regular a lonxitude dos microtúbulos.
Non hai un homólogo nas plantas para a subunidade reguladora p80 da katanina, pero si da p60. Unha subunidade p60 de katanina recombinante de A. thaliana etiquetada en His (His-AT-p60) pode cortar microtúbulos in vitro en presenza de ATP. Interacciona directamente con microtúbulos en ensaios de cosedimentación. A actividade da ATPase é estimulada dun modo non hiperbólico.[16] A hidrólise do ATP é estimulada cando hai unha proporción baixa tubulina/At-p60 e inhibida a proporcións altas. As proporcións baixas favorecen as interaccións das subunidades da katanina, mentres que as proporcións altas producen deficiencia. A At-p60 pode oligomerizarse como a dos animais. A At-p60 interacciona directamente cos microtúbulos, mentres que a p60 animal se une por medio do seu extremo N-terminal. A parte N-terminal da p60 non está ben conservada entre os reinos das plantas e dos animais.[17]
Notas[editar | editar a fonte]
- ↑ Abreviación de ATPases Associated with diverse cellular Activities, ATPases Asociadas con diversas Actividades celulares).
- ↑ "McNally, F. & Vale, R. (1993) Identification of katanin, an ATPase that severs and disassembles stable microtubules." (PDF). Arquivado dende o orixinal (PDF) o 03 de setembro de 2006. Consultado o 03 de setembro de 2006.
- ↑ Downing, Kenneth H; Nogales, Eva (1998-2). "Tubulin and microtubule structure". Current Opinion in Cell Biology (en inglés) 10 (1): 16–22. doi:10.1016/S0955-0674(98)80082-3.
- ↑ Hartman, J. & Vale, R. (1999) Microtubule Disassembly by ATP-dependent Oligomerization of the AAA Enzyme Katanin
- ↑ Ahmad, F., Yu, W., McNally, F. & Baas, P. An Essential Role for Katanin in Severing Microtubules in the Neuron
- ↑ 6,0 6,1 McNally, F. & Thomas, S. (1998) Katanin Is Responsible for the M-Phase Microtubule severing Activity in Xenopus Eggs
- ↑ 7,0 7,1 Quarmby, L. (2000) Cellular Samurai: katanin and the severing of microtubules PMID 10910766
- ↑ Srayko, M., Buster, W., Bazirgan, O., McNally & F., Mains, P. (2000) MEI-1/MEI-2 Katanin-like Microtubule Severing Activity is Required for Caenorhabditis elegans Meiosis.
- ↑ Karabay, A., Yu, W., Solowska, J., Baird, D. & Baas, P. Axonal Growth is Sensitive to Levels of Katanin, a Protein that Severs Microtubules.
- ↑ Dent, E., Callaway, J., Gyorgyi, S., Baas, P. & Kalil, K. (1999) Reorganization and Movement of Microtubules in Axonal Growth Cones and Developing Interstitial Branches.
- ↑ Waterman-Storer, C. & Salmon, E. (1997). Actomyosin-based retrograde flow of microtubules in the lamella of migrating epithelial cells influences microtubule dynamic instability and turnover and is associated with microtubule breakage and treadmilling.
- ↑ Burk, D. & Ye, Z. (2002) Alteration of Oriented Deposition of Cellulose Microfibrils by Mutation of a Katanin-Like Microtubule-Severing Protein.
- ↑ Yu, W.; Solowska, J.; Qiang, L.; Karabay, A.; Baird, D.; Bass, P. (2005). "Regulation of Microtubule Severing by Katanin Subunits during Neuronal Development". Journal of Neuroscience 25 (23): 5573–5583. PMC 1201504. PMID 15944385. doi:10.1523/JNEUROSCI.0834-05.2005.
- ↑ "Baas, P.W., Karabay, A. & Qiang, L. (2005). Microtubules Cut and Run." (PDF). Arquivado dende o orixinal (PDF) o 14 de setembro de 2006. Consultado o 07 de xuño de 2014.
- ↑ Cyr, R.J. & Palevitz, B.A. (1995) Organization of cortical microtubules in plant cells. PMID 7755991
- ↑ Mellet, V.; Gaillard, J.; Vantard, M. (2003). "Plant Katanin, a microtubule severing protein". Cell Biology International 27: 279. doi:10.1016/s1065-6995(02)00324-4.
- ↑ Mellet, V.; Gaillard, J.; Vantard, M. (2002). "Functional evidence for in vitro microtubule severing by the plant katanin homologue". Biochemistry Journal 365: 337–342. PMID 12020351 [1]
