Citoszkeleton – Sejtmozgás Kurzusvezető: Dr. Kőhidai László 2012

Citoszkeleton funkciói Sejtalak meghatározása Organellumok kihorgonyzása Organellumok mozgatása Húzószilárdság Kromoszóma mozgatás Sejtpolaritás Motilitás

Citoszkeleton Mikrofilamentumok (aktin) Mikrotubulusok (tubulin) Intermedier filamentumok Mikrotubulus asszociált proteinek (MAP-ok) pl.: Motor proteinek

Mikrofilamentum Mikrotubulus Intermedier filamentum

SLIDING = elcsúszás Globuláris fehérjék Ca2+ ATP Fibrilláris fehérjék

Mikrofilamentumok

Aktin -polimerizációja + - ATP ADP Depolimerizáció cytochalasin - gátol phalloidin - stabilizál Pi Polimerizáció - lassú

Már a prokaryotákban is ! Aktin (Ent et al. Nature 2001,413, 39)

Ciklózis Az aktin és miozin közötti átmeneti kapcsolat Mozgó citoplazma Álló kérgi (cortikális) Aktin filamentumok Színtestek Sejtfal Plazmamembrán Az aktin és miozin közötti átmeneti kapcsolat Elcsúszás - „sliding” Ca2+, hőmérséklet és pH-függő (Lodish, H. et al. Mol. Cell Biol. 2000, 767)

„Szökőkút” mechanizmus Ca2+-függő ATP igényes Mono- Poli- Lobo- podiális Filo- Retikulo- Álláb-képzés stressz-fibrillumok integrinek

Aktinhoz kapcsolódó proteinek kontraktilis köteg a aktinin - stressz fibr. gél-szerű hálózat filamin - cortex „tight” parallel köteg fimbrin - filopódium

Migráló keratinocita 15 mm/sec mikrotubulusok aktin hálózat Lobopódium képzés aktin hálózat mikrotubulusok

Aktin polimerizációt szabályozó fehérjék gCAP39 Severin Gelsolin Villin CapZ Tropomodulin - +  Cofilin Severin Gelsolin

Aktin polimerizáció – acrosoma-reakció Periacrosomális régió Profillin-aktin komplex Sejtmag Acrosomális reakció Polimerizált Aktin filamentumok Fascin keresztkötések Nyugvó Aktivált Actomera (Lodish, H. et al. Mol. Cell Biol. 2000, 767)

Listeria monocytogenes lokális aktin polimerizáció 10 mm/ perc sebesség nagy áthatoló képesség Fred Soo & Julie Theriot Laboratory aktin

Aktin nukleációs modell 1. Extracelluláris stimulus 2. WASP aktiválódás 3. WASP aktiválja az Arp2/3 komplexet új filamentum képzésre 4. Elongáció 9. Profilin > ADP/ATP Aktin-ATP kötődése profilinhez 7. Lánc- öregedés 8. Cofilin depolimerizál 6. ‘Capping” prot. elongációt fékezi 5. A növekvő filamentumok a membránra erőt fejt ki WASP = Wiscott-Aldrich szindroma prot.

Kérgi régió szerkezete (Svitkina, TM, Borisy GG J. Cell Biol. 1999, 145, 1009)

Aktin – Membrán kapcsolat Miozin I. Arp2/3 Profilin - G-aktin F-Aktin Integrin Filamin

Profilin-mechanizmus Prolin-gazdag protein Profilin-mechanizmus Tb4 = timozin b4 (Lodish, H. et al. Mol. Cell Biol. 2000, 767)

Filamin – Membrán kapcsolat aktin

A fokális kontaktus szerkezete aktin filamentum a actinin vinculin paxillin talin integrin fibronectin

A plazmamembrán – cortex kapcsolat Thrombocyta Izom Hámsejt Spectrin tetramer Glycophorin Ankyrin (Lux SE, 1979 Nature 281:426)

+ + + - - E Az elektromágneses tér hatása a citoszkeleton átrendeződésére és az állábképződésre Adhéziós plakk + + + - -

Miozin fej A Ca2+-függő foszforiláció hatása a miozin szerkezetére ATP - ADP Pi könnyű lánc nehéz lánc a-helix miozin I. 150 kD miozin II. 260 kD Fej: - ATP-áz - motor

Miozinok megoszlása migráló és osztódó sejtekben miozin I. (zöld) miozin II. (piros) (Fukui, Y. Mol. Cell Biol 2000, 785)

- + A citoszkeleton globuláris és fibrilláris elemeinek egymásrahatása és ennek fő funkciói membrán

kezeletlen gátolt F-aktin gátolt MT

Mikrotubulusok

Már a prokaryotákban is ! Tubulin FtsZ Tubulin (Margolin Laboratory, University of Texas)

Tubulin - polimerizációja GTP Taxol – stabilizál Colchicin - destabilizál GTP GTP GTP Polimerizáció - gyors Protofilamentum (egyenes) GDP GDP GDP GDP Protofilamentum (görbült) Depolimerizáció

Mikrotubulusok felépülésének dinamikája Nukleáció Elongáció tubulin beépülés egyensúlyi állapot tubulin leválás + -

Tubulin nukleáció és g-tubulin (Wiease et al. Curr.Opin.Struct.Biol. 1999, 9, 250)

Mikrotubuláris rendszerek a sejtekben - Centroszóma - Csilló / ostor Interfázisos sejt Osztódó sejt Idegsejt centrosoma bazális test Csilló magorsó axon Mikrotubuláris rendszerek a sejtekben - Centroszóma - Csilló / ostor - Mitotikus apparátus - Vezikuláris transzport

MTOC = Mikrotubulus organizáló centrum g-tubulin speciális kérgi régió (Brinkley, B.R. Encyclop. Neurosci. 1987, 665)

Mikrotubulusok hálózata Protofilamentumok ab dimer a tubulin b tubulin 24 nm Fibroblaszt

Csilló csilló ostor Paramecium

A B dynein-karok nexin tubulin (13 ill. 11 protofilamentum)

A dynein-karok felépítése ATP-független kötődés ATP hidrolízis A - pólus felé mozdul el a kar

A dynein-karok szerepe a csillócsapás kialakulásában Hajlás „Teleszkóp” hatás Proteolízis

Az a-tubilin tirozináltsági viszonyai

A csillót felépítő molekulák több mint 250 féle molekula 70% a és b tubulin dynein karok külső - 9 polipeptid - ATP-áz belső - változó összetétel küllők - 17 polipeptid

Magorsó és kinetochor mikrotubulusai

Aktin sejtosztódástól függő elrendeződése

Intermedier filamentumok

A citoszkeleton komponenseinek mechanikai jellemzői intermedier filamentum pl. vimentin mikrotubulus alakváltozás = szakadás aktin filamentum erő

Intermedier filamentumok szerepe A sejtet érő mechanikai hatások elleni „puffer” szerep Jelentős szövetspecifitás Hám – keratin Kötőszövet Izom Neuroglia Neuronok - neurofilamentumok } vimentin Sejtmag – laminok (lamina fibrosa)

Intermedier filamentumok szerkezete (Lodish, H. et al. Mol. Cell Biol. 2000, 767)

Az intermedier filamentumok domén szerkezete H2N- a helikális domén -COOH keratinok vimentin neurofilam. prot. nukleáris prot

Intermedier filamentumok Keratin filamentumok Vimentin-szerű filamentumok ! NEM kopolimerizálnak egymással !

Intermedier filamentum – Mikrotubulus kapcsolat

Intermedier filamentum Talán nem csak a mérete miatt ‘intermedier’

Mikroboholy miozin I. aktin villin „terminal web” 20-30 aktin mol.-ból álló rigid köteg aktin + a csúcsi részen villin összekötő molekula „terminal web” = intermed.fil. + spectrin miozin I. és calmodulin a felszíni membránhoz kötődés

Mikroboholy EM szerkezete aktin köteg kapcsoló molekulák „terminal web” (Hirokawa, N)

Intermedier filamentumok Neuro-filamentumok – sok keresztkötés Gliális filamentumok – kevés keresztkötés A filamentumokat összekötő protein keresztkötések száma az intermedier filamentum típusától függően eltérő.

Mikrotubulus asszociált proteinek (MAP-ok)

Molekulák összeépülése MAP-ok csoportosítása Strukturális MAP-ok - MT-összeépülése - kapcsolódás MF-hoz és IF-hoz Motor proteinek - elcsúszás MT-n Enzimek, szignál molekulák - glikolítikus enzimek - kinázok Sejt alak, polaritás Membrán transzport Molekulák összeépülése egyes helyeken

Motor proteinek

Motor-proteinek szerkezete motor domén motor domén asszoc. polipeptidek „nyél” Kinezin Miozin Dynein

Motor proteinek kinezin dynein mikrotubulus könnyű láncok nehéz lánc

kinezin - + dynein cAMP cAMP pigment sejtek

Kinezin ADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP ADP-Pi

MT-motor proteinek és transzportált elemek Cytosol dyneinek Cytosol kinezinek Magorsó kinezinek Membrán vezikulum Mitoch. Lizoszóma Golgi ER MTOC (Hirokawa, N. Science 1998, 279:519)

Dynein – membrán kapcsolat Nehéz lánc Dynamantin Spectrin Könnyű láncok Összekötő láncok Capping protein p150 p62 Arp1 Membrán (Hirokawa, N. Science 1998, 279:519)

Van más mechanizmus is …

Spazmonémás mozgás - Vorticella

Spazmonéma helix Kontrakció: 40% ms alatt Sebesség: 8 cm/s Negative töltések Semlegesítés Ca2+-vel

Aktin-tű mechanizmus Limulus polyphemus spermiumban ! acrosoma aktinköteg A megnyúlás sem myosin-motort, sem aktin polimerizációt nem igényel A köteg kristályszerkezete változik

Szignalizációs mechanizmusok - Dióhéjban

Mikrotubulusok polymerizációja és a motorproteinek

Mikrotubulusok szerepe az amoeboid mozgásban

A focal adhesion kinase (FAK) összetett hatásai

Fehérjék LIM domainnel

Vimentin szerepe a citoszkeleton szignalizációs rendszerében

Foszfatázok szerepe a sejtmigrációban