РЕГУЛЯЦИЯ КОМПЛЕКСОМ Arp2/3 ПРЕОБРАЗОВАНИЙ АКТИНОВОГО ЦИТОСКЕЛЕТА В КЛЕТКЕ. ОБЗОР

Цитоскелет представляет собой сеть белковых филаментов и включает микротрубочки, актиновые филаменты и промежуточные филаменты. Филаменты пронизывают всю цитоплазму и участвуют в поддержании формы клетки, организации и прикреплении органелл, а также в транспорте различных молекул, клеточном делении и передаче сигнала. Для осуществления этих разнообразных и сложных процессов составляющие компоненты цитоскелета должны быть очень динамичными и подвижными, быстро перестраиваться, взаимодействать друг с другом. Это обеспечивается наличием большого количества вспомогательных белков – нуклеаторов, активаторов, инактиваторов полимеризации и деполимеризации актиновых филаментов. В данном обзоре приведено описание регуляции реорганизации актинового цитоскелета белковым комплексом Arp2/3. В клетке комплекс находится в неактивном состоянии. Его активация происходит под воздействием молекул-активаторов, которые изменяют конформацию и пространственное расположение доменов комплекса, обеспечивая его взаимодействие с мономерным и полимерным актином. Активаторы Arp2/3-комплекса известны давно и включают такие белки, как WASP и WAVE. Все активаторы в своем составе имеют специфический домен VCA, который отвечает за связывание их с Arp2/3-комплексом. Структура комплекса с активаторами была изучена с использованием различных физико-химических методов. Инактиваторы комплекса начали изучать лишь недавно. В настоящее время известно не менее пяти разных белков, которые инактивируют Arp2/3-комплекс, связываясь с различными его субъединицами. Примерами инактиваторов могут служить белки коронин, фактор созревания глии и арпин. Данные о структуре Arp2/3-комплекса с инактиваторами были недавно опубликованы и показали, что все белки-инактиваторы переводят его в “открытое” состояние, отдаляя актиноподобные субъединицы комплекса друг от друга. Исследования пространственной организации актин-связывающих белков необходимы для понимания закономерностей взаимодействия между ними при обеспечении жизнедеятельности клетки. Эти данные можно в дальнейшем использовать при поиске новых лигандов с целью предотвращения метастазирования опухолевых клеток.

цитоскелет, актин, актин-связывающие белки, Arp2/3-комплекс, арпин, фактор созревания глии, коронин, обзор

1. Lee S.H., Dominguez R. Regulation of actin cytoskeleton dynamics in cells // Mol. Cells. 2010. Vol. 29. N 4. P. 311–325.

2. Dominguez R. Actin filament nucleation and elongation factors – structure-function relationships // Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2009. Vol. 44. N 6. P. 351–366.

3. Shimada A., Nyitrai M., Vetter I.R., Kühlmann D., Bugyi B., Narumiya S., Geeves M.A., Wittinghofer A. The core FH2 domain of diaphanous-related formins is an elongated actin binding protein that inhibits polymerization // Mol. Cell. 2004. Vol. 13. N 4. P. 511–522.

4. Winder S.J., Ayscough K.R. Actin-binding proteins // J. Cell Sci. 2005. Vol. 118. N 4. P. 651–654.

5. Pfaendtner J., Volkmann N., Hanein D., Dalhaimer P., Pollard T.D., Voth G.A. Key structural features of the actin filament Arp2/3 complex branch junction revealed by molecular simulation // J. Mol. Biol. 2012. Vol. 416. N 1. P. 148–161.

6. Robinson R.C., Turbedsky K., Kaiser D.A., Marchand J.-P., Higgs H.N., Choe S., Pollard T.D. Crystal structure of Arp2/3 complex // Science. 2001. Vol. 294. N 5547. P. 1679–1684.

7. Rodal A.A., Sokolova O., Robins D.B., Daugherty K.M., Hippenmeyer S., Riezman H., Grigorieff N., Goode B.L. Conformational changes in the Arp2/3 complex leading to actin nucleation // Nat. Struct. Mol. Biol. 2005. Vol. 12. N 1. P. 26–31.

8. Rouiller I., Xu X.P., Amann K.J., Egile C., Nickell S., Nicastro D., Li R., Pollard T.D., Volkmann N., Hanein D. The structural basis of actin filament branching by the Arp2/3 complex // J. Cell. Biol. 2008. Vol. 180. N 5. P. 887–895.

9. Pollard T.D. Regulation of actin filament assembly by Arp2/3 complex and formins // Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2007. Vol. 36. P. 451–477.

10. Xu X.P., Rouiller I., Slaughter B.D., Egile C., Kim E., Unruh J.R., Fan X., Pollard T.D., Li R., Hanein D., Volkmann N. Three-dimensional reconstructions of Arp2/3 complex with bound nucleation promoting factors // EMBO J. 2012. Vol. 31. N 1. P. 236–247.

11. Kelly A.E., Kranitz H., D tsch V., Mullins R.D. Actin binding to the central domain of WASP/Scar proteins plays a critical role in the activation of the Arp2/3 complex // J. Biol. Chem. 2006. Vol. 281. N 15. P. 10589–10597.

12. Goley E.D., Rodenbusch S.E., Martin A.C., Welch M.D. Critical conformational changes in the Arp2/3 complex are induced by nucleotide and nucleation promoting factor // Mol. Cell. 2004. Vol. 16. N 2. P. 269–279.

13. Padrick S.B., Rosen M.K. Physical mechanisms of signal integration by WASP family proteins // Annu. Rev. Biochem. 2010. Vol. 79. P. 707–735.

14. Ti S.C., Jurgenson C.T., Nolen B.J., Pollard T.D. Structural and biochemical characterization of two binding sites for nucleation-promoting factor WASp-VCA on Arp2/3 complex // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2011. Vol. 108. N 33. P. E463–E471.

15. Boczkowska M., Rebowski G, Kast D.J., Dominguez R. Structural analysis of the transitional state of Arp2/3 complex activation by two actin-WCAs // Nat. Commun. 2014. Vol. 5. 3308.

16. Padrick S.B., Cheng H.C., Ismail A.M., Panchal S.C., Doolittle L.K., Kim S., Skehan B.M., Umetani J., Brautigam C.A., Leong J.M., Rosen M.K. Hierarchical regulation of WASP/ WAVE proteins // Mol. Cell. 2008. Vol. 32. N 3. P. 426–438.

17. Campellone K.G., Webb N.J., Znameroski E.A., Welch M.D. WHAMM is an Arp2/3 complex activator that binds microtubules and functions in ER to Golgi transport // Cell. 2008. Vol. 134. N 1. P. 148–161.

18. Sokolova O.S., Chemeris A., Guo S., Alioto S.L., Gandhi M., Padrick S., Pechnikova E., David V., Gautreau A., Goode B.L. Structural basis of Arp2/3 complex inhibition by GMF, Coronin, and Arpin // J. Mol. Biol. 2017. Vol. 429. N 2. P. 237–248.

19. Gandhi M., Achard V., Blanchoin L., Goode B.L. Coronin switches roles in actin disassembly depending on the nucleotide state of actin // Mol. Cell. 2009. Vol. 34. N 3. P. 364–374.

20. F ger N., Rangell L., Danilenko D.M., Chan A.C. Requirement for coronin 1 in T lymphocyte trafficking and cellular homeostasis // Science. 2006. Vol. 313. N 5788. P. 839–842.

21. Cai L., Makhov A.M., Schafer D.A., Bear J.E. Coronin 1B antagonizes cortactin and remodels Arp2/3-containing actin branches in lamellipodia // Cell. 2008. Vol. 134. N 5. P. 828–842.

22. Rocca D.L., Martin S., Jenkins E.L., Hanley J.G. Inhibition of Arp2/3-mediated actin polymerization by PICK1 regulates neuronal morphology and AMPA receptor endocytosis // Nat. Cell. Biol. 2008. Vol. 10. N 3. P. 259–271.

23. Luan Q., Nolen B.J. Structural basis for regulation of Arp2/3 complex by GMF // Nat. Struct. Mol. Biol. 2013. Vol. 20. N 9. P. 1062–1068.

24. Ydenberg C.A., Padrick S.B., Sweeney M.O., Gandhi M., Sokolova O., Goode B.L. GMF severs actin-Arp2/3 complex branch junctions by a cofilin-like mechanism // Curr. Biol. 2013. Vol. 23. N 12. P. 1037–1045.

25. Dang I., Gorelik R., Sousa-Blin C. et al. Inhibitory signalling to the Arp2/3 complex steers cell migration // Nature. 2013. Vol. 503. N 7475. P. 281–284.

26. Попинако А.В., Антонов М.Ю., Чемеpиc А.C., Шайтан К.В., Cоколова О.C. Анализ взаимодействия Arp2/3-комплекса с инактиватором арпином методом молекулярной динамики // Биофизика. 2017. Т. 62. № 6. С. 1–7.

27. Huff T., Müller C.S., Otto A.M., Netzker R., Hannappel E. β-Thymosins, small acidic peptides with multiple functions // Int. J. Biochem. Cell Biol. 2001. Vol. 33. N 3. P. 205–220.

28. Giganti A., Friederich E. The actin cytoskeleton as a therapeutic target: state of the art and future directions // Prog. Cell Cycle Res. 2003. Vol. 5. P. 511–525.