La katanina es una proteína AAA que secuestra los microtúbulos . Lleva el nombre de la espada japonesa, katana . La katanina es una proteína heterodimérica descubierta por primera vez en los erizos de mar . Contiene una subunidad de ATPasa de 60 kDa , codificada por KATNA1 , que funciona para cortar los microtúbulos. Esta subunidad requiere ATP y la presencia de microtúbulos para su activación. La segunda subunidad de 80 kDA, codificada por KATNB1 , regula la actividad de la ATPasa y localiza la proteína en los centrosomas . [1] Microscopía electrónica muestra que la katanina forma anillos de 14-16 nm en su estado oligomerizado activo en las paredes de los microtúbulos (aunque no alrededor de los microtúbulos).
Mecanismo y regulación de la longitud de los microtúbulos.
El análisis estructural mediante microscopía electrónica ha revelado que los protofilamentos de los microtúbulos cambian de una conformación recta a una curva tras la hidrólisis de GTP de la β- tubulina . Sin embargo, cuando estos protofilamentos son parte de un microtúbulo polimerizado, las interacciones estabilizadoras creadas por las subunidades reticulares circundantes bloquean las subunidades en una conformación recta, incluso después de la hidrólisis de GTP . [2] Para interrumpir estas interacciones estables, la catanina, una vez unida al ATP, se oligomeriza en una estructura de anillo en la pared de los microtúbulos; en algunos casos, la oligomerización aumenta la afinidad de la catanina por los microtúbulos y estimula su actividad ATPasa. Una vez que se forma esta estructura, la katanina hidroliza el ATP y probablemente sufre un cambio conformacional que ejerce presión mecánica sobre las subunidades de tubulina, lo que desestabiliza sus interacciones dentro de la red de microtúbulos. El cambio conformacional previsto también probablemente disminuye la afinidad de la katanina por la tubulina, así como por otras proteínas de la katanina, lo que conduce al desensamblaje de la estructura del anillo de la katanina y al reciclaje de las proteínas inactivadas individuales. [3]
La separación de los microtúbulos por la katanina está regulada por factores de intercambio de nucleótidos , que pueden intercambiar ADP con ATP, proteínas protectoras asociadas a microtúbulos (MAP) y la subunidad p80 (p60 corta los microtúbulos mucho mejor en presencia de p80). Estos mecanismos tienen diferentes consecuencias, según en qué parte de la célula se activen o se interrumpan. Por ejemplo, permitir la separación mediada por katanina en el centrosoma libera microtúbulos para que se muevan libremente. En un experimento, se inyectaron anticuerpos anti-katanina en una célula, lo que provocó una gran acumulación de microtúbulos alrededor del centrosoma e inhibición del crecimiento de microtúbulos. [4] Por lo tanto, la separación mediada por katanina puede servir para mantener la organización en el citoplasma al promover el desmontaje de los microtúbulos y el movimiento eficiente. Durante la división celular, el corte en el polo del huso produce extremos libres de microtúbulos y permite el flujo de tubulina hacia el polo y la retracción del microtúbulo. Cortar los microtúbulos en el citoplasma facilita la marcha y la movilidad, lo cual es importante durante el desarrollo.
Papel en la división celular
La separación de microtúbulos mediada por catanina es un paso importante en la mitosis y la meiosis . Se ha demostrado que la katanina es responsable de cortar los microtúbulos durante la fase M en Xenopus laevis . [5] El desmontaje de los microtúbulos de sus estructuras en interfase es necesario para preparar la célula y el huso mitótico para la división celular. Esta regulación es indirecta: las proteínas MAP, que protegen los microtúbulos de la rotura durante la interfase, se disocian y permiten que actúe la katanina. [6] Además, la katanina es responsable de cortar los microtúbulos en los husos mitóticos cuando se requiere el desmontaje para segregar las cromátidas hermanas durante la anafase . [5] Se han obtenido resultados similares en relación con la actividad de la katanina durante la meiosis en C. elegans . [7] Se informó que Mei-1 y Mei-2 codifican proteínas similares a las subunidades p60 y p80 de la katanina. Usando anticuerpos, se encontró que estas dos proteínas se localizan en los extremos de los microtúbulos en el huso meiótico y, cuando se expresan en células HeLa , estas proteínas iniciaron la separación de los microtúbulos. Estos hallazgos indican que la katanina tiene un propósito similar tanto en la mitosis como en la meiosis al segregar las cromátidas hacia los polos del huso.
Papel en el desarrollo
La katanina es importante en el desarrollo de muchos organismos. Tanto la eliminación como la sobreexpresión de katanina son perjudiciales para el crecimiento axonal y, por lo tanto, la katanina debe regularse cuidadosamente para un desarrollo neuronal adecuado. [8] En particular, cortar los microtúbulos en espacios celulares específicos permite que los fragmentos prueben varias rutas de crecimiento. Katanin ha demostrado ser necesario en esta tarea. Un experimento que utilizó imágenes digitales de lapso de tiempo de tubulina marcada con fluorescencia demostró que los conos de crecimiento de los axones se detienen y los microtúbulos se fragmentan en los sitios de ramificación durante el desarrollo neural. [9]
Un experimento similar que utilizó tubulina marcada con fluorescencia observó la fragmentación local de microtúbulos en lamelipodios de células pulmonares de tritón durante la migración del desarrollo, en la que los fragmentos corren perpendiculares a la membrana celular en avance para ayudar a la exploración. [10] La naturaleza local de ambos eventos de fragmentación probablemente indica regulación por katanina porque puede concentrarse en regiones celulares específicas. Esto está respaldado por un estudio que demostró que la mutación Fra2, que afecta a un ortólogo de katanina en Arabidopsis thaliana , conduce a una disposición aberrante de las microfibrillas de celulosa a lo largo de la pared celular en desarrollo en estas plantas. [11] Esta mutación produjo un fenotipo con un alargamiento celular reducido, lo que sugiere la importancia de la katanina en el desarrollo de una amplia gama de organismos.
Función en neuronas
Se sabe que la katanina es abundante en el sistema nervioso e incluso niveles modestos pueden causar un agotamiento significativo de los microtúbulos. Pero los microtúbulos deben cortarse en otros compartimentos de la neurona para que un número suficiente de microtúbulos pueda someterse a un transporte rápido.
En el sistema nervioso, la proporción de las dos subunidades es dramáticamente diferente a la de otros órganos del cuerpo. Por tanto, es importante poder regular la proporción para controlar el corte de los microtúbulos. El monómero p80 se encuentra en todos los compartimentos de la neurona, lo que significa que su función no puede ser únicamente apuntar a la catanina. La katanina p80 tiene múltiples dominios con diferentes funciones. Un dominio se dirige al centrosoma, otro aumenta el corte de microtúbulos por la katanina p60 y el último suprime el corte de microtúbulos. [12] La abundancia de katanina en las neuronas muestra que pueden moverse a lo largo del axón. Hay rotura de microtúbulos en los puntos de las ramas axonales y en los conos de crecimiento de las neuronas. La distribución de la katanina en la neurona ayuda a comprender el fenómeno de la regulación de la longitud y el número de microtúbulos, así como la liberación de los microtúbulos del centrosoma.
Se cree que la katanina está regulada por la fosforilación de otras proteínas. Los microtúbulos se rompen en fibroblastos después de una ligera flexión. Pero, cuando hay katanina, la flexión puede provocar la rotura porque mejora el acceso de la katanina a la celosía. [6]
Función en plantas
También se encuentra que la katanina tiene funciones similares en plantas superiores. La forma y estructura de una célula vegetal está determinada por la pared celular rígida , que contiene celulosa altamente organizada, cuya orientación se ve afectada por microtúbulos que sirven para guiar la deposición de las fibras en formación. La orientación de las microfibrillas de celulosa dentro de la pared celular está determinada por los microtúbulos, que están alineados perpendicularmente al eje principal de expansión celular. [13] Debido a que las células vegetales carecen de centrosomas tradicionales, la catanina se acumula en la envoltura nuclear durante la preprofase y la profase , donde se forman los microtúbulos del huso.
Durante el alargamiento celular, los microtúbulos deben ajustar su orientación constantemente para mantenerse al día con el aumento de la longitud celular. Se propuso que este cambio constante en la organización de los microtúbulos se realizara mediante el rápido desmontaje, ensamblaje y translocación de los microtúbulos. [14] Recientemente, se ha demostrado que mutaciones en el homólogo de la catanina de la planta alteran las transiciones en la organización de los microtúbulos, lo que, a su vez, causa deficiencias en la deposición adecuada de celulosa y hemicelulosa . Se presume que esto se debe a la falta de capacidad de la célula vegetal para regular la longitud de los microtúbulos.
No hay homólogo para la subunidad reguladora p80 katanina. Por lo tanto, se hizo un At-p60 marcado con His para describir sus funciones en las plantas. El His-At-p60 puede cortar los microtúbulos in vitro en presencia de ATP. Interactúa directamente con los microtúbulos en los ensayos de co-sedimentación. La actividad de la ATPasa se estimuló de forma no hiperbólica. [15] La hidrólisis de ATP se estimula en una proporción baja de tubulina / At-p60 y se inhibe en proporciones más altas. Los ratios bajos favorecen las interacciones de la subunidad de katanina, mientras que los ratios altos muestran deterioro. El At-p60 puede oligomerizar como los de los animales. El At-p60 interactúa directamente con los microtúbulos, mientras que el animal p60 se une a través de sus N-terminales . La parte N-terminal de p60 no está bien conservada entre los reinos vegetal y animal. [dieciséis]
Ver también
- ATPasa cortadora de microtúbulos
Referencias
- ^ "McNally, F. & Vale, R. (1993) Identificación de katanin, una ATPasa que corta y desmonta microtúbulos estables " (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2006-09-03 . Consultado el 18 de febrero de 2006 .
- ^ Downing, K. y Nogales, E. (1998). Estructura de tubulina y microtúbulos. [ enlace muerto permanente ]
- ^ Hartman, J. & Vale, R. (1999) Desmontaje de microtúbulos por oligomerización dependiente de ATP de la enzima AAA Katanin
- ^ Ahmad, F., Yu, W., McNally, F. y Baas, P. Un papel esencial de Katanin en la separación de microtúbulos en la neurona
- ^ a b McNally, F. y Thomas, S. (1998) Katanin es responsable de la actividad de corte de microtúbulos en fase M en huevos de Xenopus
- ^ a b "Quarmby, L. (2000) Cellular Samurai: katanin y el corte de microtúbulos " (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 16 de enero de 2005 . Consultado el 18 de febrero de 2006 .
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- ^ Karabay, A., Yu, W., Solowska, J., Baird, D. y Baas, P. El crecimiento axonal es sensible a los niveles de katanina, una proteína que corta los microtúbulos.
- ^ Dent, E., Callaway, J., Gyorgyi, S., Baas, P. y Kalil, K. (1999) Reorganización y movimiento de microtúbulos en conos de crecimiento axonal y ramas intersticiales en desarrollo.
- ^ Waterman-Storer, C. y Salmon, E. (1997). El flujo retrógrado de microtúbulos basado en actomiosina en la laminilla de las células epiteliales que migran influye en la inestabilidad dinámica de los microtúbulos y el recambio y se asocia con la rotura y el movimiento de los microtúbulos.
- ^ Burk, D. & Ye, Z. (2002) Alteración de la deposición orientada de microfibrillas de celulosa por mutación de una proteína cortadora de microtúbulos similar a la katanina.
- ^ Yu, W .; Solowska, J .; Qiang, L .; Karabay, A .; Baird, D .; Bass, P. (2005). "Regulación de la separación de microtúbulos por subunidades de Katanin durante el desarrollo neuronal" . Revista de neurociencia . 25 (23): 5573–5583. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.0834-05.2005 . PMC 1201504 . PMID 15944385 .
- ^ "Baas, PW, Karabay, A. y Qiang, L. (2005). Microtubules Cut and Run " (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 14 de septiembre de 2006 . Consultado el 26 de mayo de 2007 .
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enlaces externos
- Hartman, Jim. "Katanin, una AAA ATPasa que desarma los microtúbulos estables". 2004.
- Investigación de McNally Lab. "katanin" 2006