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生物化学生物物理研究公社。2008年4月25日;369(1-3): 165–175.
数字对象标识:10.1016/j.bbrc.2007.11.50
预防性维修识别码:项目经理2635068
PMID:18068125

肌球蛋白VI在细胞内的细胞功能是如何调节的?

摘要

本综述旨在纪念Setsuro Ebashi教授,重点介绍我们目前研究独特的非常规运动肌球蛋白VI的细胞功能和调节的工作。肌球蛋白与迄今为止研究的所有其他肌球蛋白不同,向肌动蛋白丝的负端移动,并与广泛的细胞过程有关,如内吞、外吞、细胞迁移、细胞分裂和胞质分裂。肌球蛋白VI参与这些细胞途径是通过其与特定衔接蛋白的相互作用介导的,并受多种调节信号和修饰如钙离子、PtdIns(4,5)P2(PIP2)和磷酸化。鉴于最近观察到肌球蛋白VI与许多人类疾病(如耳聋和癌症)相关,了解肌球蛋白Ⅵ在细胞内的功能及其调控方式至关重要。

关键词:运动蛋白、肌球蛋白VI、肌动蛋白、细胞骨架、PtdIns(4,5)P2、膜运输、肌球蛋白磷酸化、Optineurin、Dab2、GIPC

我们的综述致力于纪念Setsuro Ebashi教授及其关于钙离子作为细胞信号和细胞内过程调节器的基本作用的开创性工作,这对我们对肌肉收缩调节的理解产生了如此深远的影响。首先,我们想简要介绍一下我们认为在发现调节细胞收缩活动的机制方面的几个主要里程碑。我们将首先关注肌肉和细胞中与肌球蛋白相关的调节系统,然后关注我们当前的工作,研究非常规肌球蛋白(肌球蛋白VI)的功能如何在非肌肉细胞中调节。我们选定的里程碑如下:

  • (1)
    大约四十年前的1968年,Setsuro Ebashi教授和Makoto Endo教授发表了他们著名的关于“钙离子与肌肉收缩”的评论[1]它描述了他们至少在过去10年的基础研究,证明钙离子是控制肌肉收缩的调节信号。它还描述了Ebashi和他的同事在脊椎动物骨骼肌肌动蛋白丝上发现的钙调节复合物肌钙蛋白。这项工作是我们对钙如何调节收缩的理解上的一个重大突破2+脊椎动物骨骼肌和心肌。埃巴希的进一步优雅研究[2]还有其他一些团体,包括佩里、盖格利和哈特肖恩[3–5]确定了肌钙蛋白复合物由三种成分组成,即肌钙蛋白C(TnC),它是结合钙的亚单位2+肌钙蛋白-I(TnI)是抑制肌动蛋白-肌球蛋白相互作用的亚单位,肌钙蛋白-T(Tn T)是将复合体与肌动蛋白丝结合的原肌球蛋白结合亚单位。此外,他们证明Ca2+与TnC结合可以克服TnI的抑制作用,从而作为ON/OFF开关激活肌肉收缩。
  • (2)
    1970年Ca的发现2+软体动物肌球蛋白的调控机制[6]自那之前,人们一直认为Ca2+肌肉收缩的调节完全由肌动蛋白细丝上的肌钙蛋白复合物介导。然而,在软体动物肌肉中,Ca显示2+收缩调节由钙介导2+直接与肌球蛋白结合,位于肌球蛋白“杠杆臂”或颈部区域的调节轻链是在Ca2+控制肌球蛋白与肌动蛋白的相互作用,从而控制这些肌肉的收缩[6,7]后来证明,尽管脊椎动物横纹肌和心肌中的肌球蛋白不作为钙调节亚单位,但所有肌球蛋白都包含调节轻链[8].
  • (3)
    20世纪70年代中期,另一个加州2+脊椎动物平滑肌和非肌肉细胞的调节机制已被确定[9].在这些细胞中Ca2+通过与钙调蛋白结合间接调节肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用,钙调蛋白激活肌球蛋白轻链激酶(MLCK)以磷酸化肌球蛋白上的调节轻链(RLCs)。RLC磷酸化激活肌球蛋白,使其与肌动蛋白相互作用,产生力量和运动[10–12]在非肌肉细胞中,RLC磷酸化也可能控制肌球蛋白分子组装成细丝,当与肌动蛋白相互作用时,细丝能够移动并产生力量[13].至少在体外当RLC未磷酸化时,这些肌球蛋白是单体的,处于紧密的“关闭”折叠状态,尾巴靠近运动域弯曲,当RLC磷酸化时这些肌球蛋白质尾巴展开并组装成细丝,能够与肌动蛋白丝相互作用,产生力和运动[13]虽然我们尚未成功证明这种受调控的肌球蛋白纤维组装过程发生体内据信,这种机制对许多细胞过程至关重要,例如组装和拆卸胞质分裂所需的收缩环。
  • (4)
    20世纪90年代中期,研究表明肌球蛋白是作为运动蛋白的一个大超家族而存在的[14–17]具有多种功能和可能不同的调节机制。迄今为止,已鉴定出24种不同类别的肌球蛋白[18]在人类中,表达了属于12个不同类别的40个肌球蛋白[17]每类肌球蛋白都有一个基本的N末端运动结构域、RLC或钙调蛋白亚基,它们结合在“颈部”或杠杆臂区域和尾部结构域中,大小和结构差异很大。与肌肉中的肌球蛋白不同,肌球蛋白形成细丝并组装成相对稳定的肌群结构,这些肌群结构针对肌肉收缩进行了优化,而“新”肌球蛋白不组装成细丝,而是组织在各种灵活的肌动蛋白细胞骨架膜集合中,这些肌动蛋白膜集合针对其不同的细胞功能进行了优化[19].

在这篇综述中,我们重点研究了其中一种“新”肌球蛋白——肌球蛋白VI的细胞功能和可能的调节机制。它是唯一一类向肌动蛋白丝负端移动的肌球蛋白[20]因此在细胞中具有独特的功能。假设细胞内肌动蛋白丝的极性被认为是正(倒刺)端插入或位于细胞膜上,负(尖)端向内突出,那么肌球蛋白VI会将质膜上的货物转移到细胞内,并远离高尔基复合体等细胞器的表面。肌球蛋白VI定位于细胞前缘的膜皱褶、高尔基复合体、质膜上的网格蛋白包被的小孔/小泡、中心体和胞质分裂期间的中体中,与多种过程有关,如内吞、外吐、高尔基形态的维持、,胞质分裂与细胞迁移[21]为了开始了解肌球蛋白VI在这些细胞事件中的作用,我们将首先检查其结构和在体外属性。

域结构和在体外肌球蛋白VI的性质

肌球蛋白VI由以下基本肌球蛋白结构域组成:具有ATP结合囊和肌动蛋白结合界面的N末端典型80kDa运动结构域、具有结合钙调蛋白的单个IQ结构域的短颈或“杠杆臂”区域、具有螺旋区域的尾巴和C末端货物结合结构域[22].肌球蛋白VI还包含许多独特的插入物:在ATP结合囊旁开关1环旁边的运动域中,有一个22氨基酸插入物,控制核苷酸的开启和关闭速率,因此被认为可以微调肌球蛋白Ⅵ的特定细胞功能[23]在运动结构域和“杠杆臂”区域之间有一个53氨基酸插入物,它是肌球蛋白VI沿着肌动蛋白丝逆行运动的反向齿轮[20]在尾部区域有一个大小的插入物,产生四种不同表达的选择性剪接肌球蛋白VI亚型,具有不同的细胞内位置和功能[24,25].

大功率卒中后状态下肌球蛋白VI运动域和杠杆臂的高分辨率结构分析显示,除了两个独特的插入物外,其结构与肌球蛋白II和V的运动域非常相似[26]53个氨基酸插入物在所有其他肌球蛋白类中都不存在,并且包含一个新的基序,该基序结合一个不可变的钙调蛋白亚基[27]此插入物是转换区的一个组成部分,可将肌球蛋白VI的杠杆臂重定向120o(o)朝向肌动蛋白丝的负端,从而使肌球蛋白VI沿着这些丝在相反的方向上移动[26]到目前为止,没有一个肌球蛋白VI尾部结构域的结构得到解决。

动力学研究表明,肌球蛋白VI对ADP有很高的亲和力,ADP的释放是其ATP酶循环的限速步骤[28]因此,肌球蛋白VI是一种占空比高的运动蛋白,占空比为0.8,它花费大部分(~80%)的稳态ATP酶循环强烈结合肌动蛋白[28]由于人们认为肌球蛋白VI是以二聚体分子的形式存在的,这是基于其尾部预测的卷曲螺旋区域,因此最近的动力学研究使用了肌球蛋白Ⅵ结构体,该结构体通过包含亮氨酸拉链而非C末端货物结合尾部结构域而二聚化[28–30]这些含有两个运动域的工程化人工二聚体具有较高的占空比,并以出乎意料的大步长(30–36 nm)沿着肌动蛋白丝进行过程性运动[31,32]像肌球蛋白V一样,这些肌球蛋白VI二聚体中的两个运动域似乎彼此沟通(头部之间的门),以便以手交叠的方式沿着肌动蛋白丝进行过程性运动[33,34]已经提出了一些可能的模型来解释门控如何在这些肌球蛋白VI二聚体中运作[35]然而,根据生化和生物物理标准,含有关键C末端货物结合区的全长表达的天然肌球蛋白VI是单体,并以18nm的单步沿肌动蛋白丝非加工性移动[36]质疑人工二聚体研究的相关性,并提出一个有趣的建议,即肌球蛋白VI可能作为非加工单体存在并发挥作用,也可能作为细胞中的加工二聚体?(图1).

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肌球蛋白VI在细胞中可以作为单体或二聚体或两者兼有。显示了肌球蛋白VI(红色为运动域,黄色为尾部区域,蓝色为货物结合域(CBD))如何与小泡结合并在细胞周围移动的几种可能方式。作为单体(a),它可以通过其CBD与PIP结合2(红色P)插入膜中;或在(B)中,它可以与结合伴侣如Dab2(以绿色显示)结合,该结合伴侣与膜受体的细胞质尾部结合;或(C)多个单体可以通过PIP结合2分子以团簇或均匀分布在囊泡上。作为二聚体(D),当与PIP结合时,两个肌球蛋白VI的CBD可以二聚2当两个肌球蛋白VI与二聚体结合伙伴(以棕色显示)结合到囊泡上的膜受体时,分子聚集在囊泡表面或(E)中。

肌球蛋白VI实现的长步长(人工二聚体为30–36 nm,单体为18 nm)出乎意料,因为它有这么短的杠杆臂(最大预测长度为10 nm)?显然,使用针对肌球蛋白II和V提出的传统杠杆臂机制无法产生如此大的步长,其中步长以线性方式取决于杠杆臂的长度[37–39]虽然已经提出了一个工作模型来解释肌球蛋白VI二聚体如何能够实现如此大的步长[31]是否作为稳定的二聚体存在体内全长分子的整体构象,特别是螺旋尾巴的结构和稳定性,以及它是如何被调节的,是首先需要确定的一些性质。因此,很明显,“新”类非传统肌球蛋白是一种用途极为广泛的多域马达,在其中可以添加、修饰或交换插入物或结构域,以创造具有独特性质的“新”马达蛋白,能够向肌动蛋白丝的负端或正端移动[40](请参见图2).

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图示肌球蛋白VI中潜在调节位点位置的漫画。在运动域中有一个22氨基酸插入物(275–297),它调节ADP关闭速率,从而调节ATP与ATP酶位点的结合;肌动蛋白结合界面405处的苏氨酸可能被磷酸化并参与调节与肌动蛋白的相互作用,在转换区有一个独特的53个aa插入物(761-814),即反向齿轮,它决定肌球蛋白沿肌动蛋白丝移动的方向。颈部区域包含一个单一的IQ基序(绿色),该基序结合钙调节亚单位钙调素。就在货物结合域(CBD)之前有一个大插入物(1036–1060),在CBD内有一个小插入物(1140–1148),产生四种不同表达的选择性剪接亚型,具有不同的细胞内位置和功能。在CBD中,有两个“热点”,RRL和WWY基序,所有迄今为止特征化的肌球蛋白VI结合伙伴都在这里结合(表1); 此外,在TINT序列中有两种苏氨酸(1092和1094)可以磷酸化并调节视神经素与CBD的结合。

哺乳动物细胞中肌球蛋白VI的细胞内功能

为了说明肌球蛋白VI的功能多样性,我们将只关注其三种细胞功能;那些已经被详细研究过的:

肌球蛋白VI和网格蛋白介导的内吞作用

在质膜上,内吞作用是一个复杂的过程,细胞通过此过程能够与其细胞外环境进行通信,并涉及对蛋白质、营养物质、受体的调节吸收,以及对胞吐后丢失的膜蛋白和脂质的恢复。虽然氯氰菊酯介导的内吞作用是最具特征的途径,但目前至少已经确定了三种其他的摄取途径:大胞吞作用、小窝介导的内吞作用和氯氰菊酯和小窝非依赖性的内吞[41,42]氯氰菊酯介导的内吞作用包括以下基本步骤:(i)货物与受体结合,并在质膜上形成簇;(ii)含有这些货物受体复合物和氯氰菊酯的坑形物开始在其周围聚集;(iii)质膜内陷形成一个包被甲氰菊酯的囊泡;(iv)膜发生分裂,被氯氰菊酯包被的小泡被释放到细胞中,在那里(v)氯氰菊酯被去除,小泡被运输到细胞中的目的地。每一步都需要大量的结构外壳组件和一系列辅助蛋白,包括肌动蛋白细胞骨架和运动蛋白,它们共同驱动内吞机制[42–44].

那么,这个复杂过程中的哪些具体步骤涉及肌球蛋白VI?这个问题的答案似乎因所研究的细胞类型和表达的肌球蛋白VI亚型而异[25,45]例如,在极化的上皮细胞中,尾部区域有大插入物的肌球蛋白VI亚型集中在顶部质膜下方末端网状区域的有网格蛋白涂层的小孔和小泡中[46,47]在这个顶端表面残疾人2(Dab2),一个肌球蛋白VI结合伙伴,与肌球蛋白Ⅵ共定位,由于Dab2结合到LDLR家族成员的细胞质尾部,它将肌球蛋白Ⅴ与这些细胞表面受体联系起来[48]因此,在内吞开始时,肌球蛋白VI首先通过与Dab2和信号分子PIP结合,被招募到质膜上的Dab2/LDL受体复合体2 [49]考虑到肌动蛋白丝的极性,其正端位于质膜,负端指向细胞,肌球蛋白VI作为负端定向的马达可以移动PIP2/Dab2/受体复合物沿着膜聚集,开始形成一个氯氰菊酯包被的小孔。然后,肌球蛋白VI可以通过沿着这些肌动蛋白丝移动,并通过将膜与结构外壳和辅助蛋白宿主一起拉入,产生囊泡形成所需的力,其中一些感知膜弯曲,可以形成一个网格蛋白包被的小窝/小泡。通过将聚合肌动蛋白丝与动力蛋白等辅助蛋白一起推入囊泡颈部,肌球蛋白VI可导致囊泡断裂,随后可将包被氯氰菊酯的囊泡运输到富含肌动蛋白的末端网区域,在该区域未被包被。在最后阶段,尾部有小插入物或没有插入物的肌球蛋白VI亚型可能会在小泡与早期内体室融合之前通过皮质肌动蛋白丝网络移动小泡[45]需要大量的进一步工作来验证这些推测,并确定肌球蛋白VI是否以及如何在内吞的这些特定步骤中发挥作用。

肌球蛋白VI与高尔基复合体的胞吐

高尔基复合体在细胞的蛋白质生物合成途径中起着核心作用。内质网中合成的每一个蛋白质都被运输到高尔基复合体,在那里进行翻译后修饰,并被分类输送到细胞表面或细胞内隔间。在哺乳动物细胞中,高尔基复合体占据着围绕微管组织中心(MTOC)组织的中心核周位置,由扁平的膜相互连接的池组成,这些池可分为顺式,内侧、和反式-高尔基隔间[50]. The顺式-和反式-高尔基复合体的两侧被广泛的膜小管和小泡网络所包围;这个顺式-高尔基网络(CGN)和反式-高尔基网络(TGN)。来自内质网的蛋白质进入CGN处的高尔基复合体,通过复合体,在TGN处被分类和包装成各种不同的囊泡载体,以发送到不同的细胞位置[51].

肌球蛋白VI存在于高尔基复合体的囊泡中,平均距离反式-高尔基复合体侧面[52,53]在Snell’s waltzer肌球蛋白VI敲除小鼠的成纤维细胞中,肌球蛋白Ⅵ的缺失导致大小减少40%,网状高尔基网络结构崩溃,TGN向质膜的蛋白质分泌减少40%[53]这两种表型都可以通过全长肌球蛋白VI的转染和表达来挽救。因此,肌球蛋白Ⅵ与高尔基复合体周围的肌动蛋白细胞骨架相互作用,可能参与维持高尔基体膜精细的网状结构。而在分泌途径中,肌球蛋白VI也可能参与:(1)在TGN将蛋白质分类到不同的亚结构域中,以输送到不同的细胞区室,或(2)它可能在囊泡形成和出芽中发挥作用,类似于其在质膜上的内吞功能,或(3)囊泡从TGN向微管的短程运输,以便长距离运输到细胞表面。

针对高尔基复合体的肌球蛋白VI及其参与分泌途径需要与其结合伙伴之一视神经蛋白结合[54]以及小G蛋白Rab8,它参与膜运输,已被确定为视神经素结合伙伴[55]在极化的上皮细胞中,为了保持高度极化的形状,已经进化出专门的途径来将新合成的膜蛋白从高尔基复合体分类并运输到基底外侧或顶端表面,这取决于这些蛋白中存在的分类基序的类型[56–58]在极化的MDCK细胞中,尾结构域中没有插入物的肌球蛋白VI亚型是分选新合成的含有酪氨酸分选基序的基底外侧膜蛋白并将其转运到基底外侧结构域所必需的[47]由于在极化上皮细胞中,Rab8起到膜锚定的作用,并调节向基底外侧结构域的转运[59,60]含有肌球蛋白VI、视神经蛋白和Rab8的功能性转运复合体可能起作用,因为这三种蛋白质都存在于再循环内体中,内体是MDCK细胞基底外侧转运的分选站[61].

肌球蛋白VI与细胞迁移

移动的细胞与前缘和后缘极化,前缘的假足或跛足的形成与细胞粘附相结合,产生向前运动的前伸力[62,63]随着肌球蛋白VI参与癌细胞侵袭的发现,确定肌球蛋白Ⅵ在细胞迁移中的作用变得更加迫切[64]到目前为止,肌球蛋白VI在细胞运动中作用的最好例子是在果蝇属卵巢是癌细胞侵袭的模型[65,66]肌球蛋白VI对边界细胞迁移至关重要,由于它与粘附蛋白E-钙粘蛋白和β-连环蛋白存在于复合物中,它可以通过与膜中固定的粘附复合物结合,通过向外推动肌动蛋白丝,从而使细胞向前移动,从而产生前伸力[65]在哺乳动物细胞中,对肌球蛋白VI在细胞运动中的作用知之甚少,尽管当受到生长因子的刺激时,肌球蛋白Ⅵ被积极招募到这些运动细胞前沿的膜皱褶中,并在运动域磷酸化[52]有人认为,在这些细胞中,F-actin聚合与膜插入和细胞粘附相结合,在细胞前端产生外伸力,将质膜向外推[62]因此,在细胞前缘,以下过程可能会驱动细胞迁移:(1)由Arp2/3复合物和Rho GTPases调节的肌动蛋白丝网络的聚合/解聚[67,68]随后进行皮层肌动蛋白细胞骨架的重塑;(2) 粘附蛋白复合物在膜上的组装及其与底物的粘附[69]; (3) 新膜的运输及其插入前沿[52]; (4)运动蛋白(如肌球蛋白I、V和VI)与肌动蛋白丝和膜中的固定黏附复合体相互作用产生的前伸力。此外,肌球蛋白VI可能与肌球蛋白V和Is等其他肌球蛋白一起参与粘附分子和附加膜向运动细胞前沿的传递。

因此,在简要回顾了肌球蛋白VI在一些基本细胞功能中的可能作用之后,我们现在将讨论肌球蛋白Ⅵ参与这些过程的潜在机制。

肌球蛋白VI调节

虽然对肌球蛋白VI是如何调节的知之甚少,但可能涉及多种调节机制,协同作用以调节肌球蛋白Ⅵ的活性,而不是像钙离子那样作为ON/OFF开关2+肌肉中的调节机制[21]由于肌球蛋白VI参与如此广泛的细胞功能,因此必须对其进行严格调控,以使其仅在细胞需要时和需要时才起作用。为了维持细胞的组织结构和成分的正确分布,所有涉及的运动蛋白的活动都必须受到严格的调控和协调。了解肌球蛋白VI是如何调节的,对于开发治疗靶点以对抗癌症、耳聋和囊性纤维化等人类疾病具有重要意义。可能的肌球蛋白VI调节机制包括:

尾结构域插入导致选择性剪接异构体的表达

在基本的调节水平上,肌球蛋白VI以细胞特异性的方式表达为四种交替剪接的亚型,在尾部区域有一个大的(21–31 aa)或一个小的(9 aa),或两者都有或没有插入物[70]在极化上皮细胞中,带有大插入物的肌球蛋白VI亚型定位于顶端表面,参与网格蛋白介导的内吞作用,而没有插入物的肌球蛋白VI异构体定位于反式-高尔基复合体的侧面,并回收内体,在那里它在特定货物的分拣和输送到基底外侧表面中发挥作用[47]尾中这些插入物的存在或缺失如何影响肌球蛋白VI的功能和细胞内靶向性尚不清楚。由于尾插入物既不包含任何明显的结构基序,也不包含明显的结合位点,因此它们可能控制肌球蛋白VI分子的整体构象,从而可能与特定的结合伙伴结合。

运动结构域和尾部潜在位点的磷酸化

当用表皮生长因子(EGF)刺激A431(人上皮癌细胞系)细胞时,肌球蛋白VI被征募到前缘的动态皱褶膜中,并且肌球蛋白Ⅵ磷酸化水平增加了四倍[52]苏氨酸(T406)运动区肌动蛋白结合区的肥厚型心肌病环中可能存在磷酸化残基,而Rac-和cdc42活化的激酶PAK1可能是负责的激酶。这个T406对于Bement和Mooseker提出的肌球蛋白运动域磷酸化位点,残基遵循TEDS规则(它必须是Thr、Glu、Asp或Ser)[71]棘阿米巴肌球蛋白IA和IB运动结构域中苏氨酸残基的磷酸化是肌动蛋白活化ATP酶活性达到最高所必需的[72]然而,在T的肌球蛋白VI磷酸化中406不会改变肌动蛋白丝滑动的速率或其最大肌动蛋白活化ATP酶速率[29].尽管T406磷酸化对肌球蛋白VI没有明显影响在体外动力学特性,在细胞中,它可能具有更微妙的作用,调节肌球蛋白VI-肌动蛋白与细胞骨架的相互作用[52,73]在肌球蛋白VI尾部的C末端区域有两个位点(T1089国际的1092)已通过质谱法鉴定出被PAK3磷酸化,这些苏氨酸残基的磷酸化已被证明可调节视神经磷酸酶与肌球蛋白VI尾部的结合[54]有趣的是,这些位点的磷酸化并不调节肌球蛋白VI与任何其他迄今为止测试的结合伙伴的结合。

迄今为止,在肌球蛋白VI上测试过的激酶是PAK家族的成员,PAK家族以许多亚型的形式存在,具有特定的结构域,将其靶向特定的细胞位置。LMTK2(柠檬酪氨酸激酶2)最近被鉴定为肌球蛋白VI结合伙伴,但迄今尚未证明其磷酸化肌球蛋白Ⅵ[74]肌球蛋白VI可能作为一种转运蛋白,将LMTK2运送到细胞中的特定位置,即其磷酸化靶蛋白所在的位置。因此,试图在细胞内以特定和时间的方式将肌球蛋白VI磷酸化在运动和尾部结构域中的作用拼凑在一起将是困难的,但对于理解这些肌球蛋白VI调节系统如何运作是必要的。

2+与杠杆臂区钙调素亚基的结合

肌球蛋白VI有一个短的杠杆臂,具有一个结合钙调蛋白的单一IQ基序,但关于钙与钙调蛋白结合如何影响肌球蛋白的结构和细胞内功能,我们知之甚少。虽然转换器区域的独特嵌件(倒档)也含有结合钙调素,但这种钙调素似乎起着结构作用,其结合钙是不可变的[27].钙的增加2+然而,浓度确实会改变在体外肌球蛋白VI的动力学特性;ADP释放速率和动肌球蛋白VI运动速度均降低,在人工肌球蛋白Ⅵ二聚体构建物中,突触运动显著降低[29]钙似乎也是全长肌球蛋白VI与脂质体结合所必需的[49](见下一节)。

与磷脂酰肌醇结合(PIP2)在质膜结合中

肌球蛋白VI与脂质体结合,特别是那些含有第二信使PtdIns(4,5)P的脂质体2(PIP2)[49].PIP2结合位点位于C末端货物结合尾区(CBD),由碱基残基(R/K)与疏水残基交替组成,与其他细胞骨架PIP中确定的区域非常相似2-结合蛋白[75].钙与杠杆臂中钙调蛋白的结合如何控制PIP2与CBD的结合尚不清楚,但这表明可能涉及肌球蛋白VI分子的主要构象变化(见下一节)。肌球蛋白VI尾部与PIP结合2含高亲和力脂质体(K(K)d日=0.3μm),绑定后尾部二级结构发生重大变化(α螺旋度增加31%)。在HeLa细胞中PIP突变2结合位点减少了全长肌球蛋白VI及其尾部对氯氰菊酯涂层结构的靶向性约50%[49].管道仪表流程图2是哺乳动物细胞中主要的多聚磷酰肌醇,作为第二信使和膜锚,对细胞骨架与质膜的连接,以及内吞、外吐和膜转运都很重要。它将许多细胞骨架和内吞蛋白募集到质膜上,并调节氯氰菊酯包被囊泡的组装、断裂和脱包[76–78].管道仪表流程图2在质膜中分布不均匀,集中在网格蛋白介导的内吞作用的活性部位,在那里它可以在网格蛋白包被的小孔组装开始时将适配器Dab2、肌球蛋白VI和辅助/细胞骨架蛋白募集到膜上。

控制肌球蛋白VI构象的结构变化

许多蛋白质与肌球蛋白VI的C末端结构域结合(参见“单体/二聚体平衡”和表1)必须有一个机制来规范它们的约束。尾部的主要构象变化可以用来调节/阻断这些蛋白质-蛋白质的相互作用。例如,非肌肉肌球蛋白II和肌球蛋白V可以存在在体外处于折叠不活动状态,尾巴与头部相互作用,受调节性轻链磷酸化或钙与钙调蛋白结合的调节[13,79,80]然而,这些肌球蛋白是否以折叠状态存在于细胞中尚待确定。到目前为止,还没有确凿的证据表明肌球蛋白VI可以作为折叠分子存在,但其尾部包含大量区域,通过多种二级结构预测算法(使用NPS@网络蛋白质序列分析网络服务器)([81]还有一些带有铰链的螺旋区域,也可能允许尾巴折叠。单分子成像研究表明,肌球蛋白VI是一个单体,尾巴是柔韧的;例如,在没有核苷酸的情况下,尾巴弯曲并靠近运动区,而在有ATP的情况下尾巴是直的[36].肌球蛋白VI的细胞定位研究[52]支持肌球蛋白VI可能在细胞中以“非活性”状态存在的观点,因为它们表明,相当大比例的内源性肌球蛋白Ⅵ以扩散细胞质池的形式存在,与任何明显的细胞隔室或结构无关。有人设想,在这个细胞质池中,肌球蛋白VI处于折叠不活动状态,CBD上的结合位点被掩盖,运动结构域上的肌动蛋白界面被阻断,磷酸化或钙增加2+浓缩和/或与货物或膜结合将激活分子。

表1

肌球蛋白VI结合伙伴:它们的细胞位置、肌球蛋白Ⅵ上的结合位点和拟议功能

绑定合作伙伴手机位置绑定站点拟议职能
大坝2质膜、氯氰菊酯包被的小孔和小泡世界大战低密度脂蛋白受体(LDLR)的内吞作用、肿瘤抑制信号途径、细胞粘附和运动
Optineurin公司细胞质小泡,高尔基复合体RRL公司胞吐/分泌,高尔基形态
GIPC公司内生小泡,高尔基区RRL公司细胞内吞、高尔基体受体贩运、细胞迁移、胞质分裂
SAP97系列神经突触位点、细胞粘附位点未知AMPA受体的转运和内吞,细胞间粘附
T6BP/NDP52型核周高尔基体区的囊泡,局灶性粘连RRL公司分泌、细胞信号、细胞粘附和皱褶
LMTK2型细胞质小泡,高尔基区WWY公司丝氨酸/苏氨酸激酶内吞再循环

单体/二聚体平衡

肌球蛋白VI可能同时作为非加工单体和加工二聚体,这取决于细胞的需求,控制这种单体-二聚体的平衡可能是一种重要的调节机制(见图1). 可以想象,对于某些细胞功能,如维持张力、聚集跨膜受体或将小泡束缚在肌动蛋白丝上,非加工单体将发挥作用,而对于小泡沿肌动蛋白丝状物的逆行运输,加工二聚体将是首选。 体外全长肌球蛋白VI是一个单体,但当它聚集在肌动蛋白丝上时,可以诱导形成一些二聚体(17%)[82]许多肌球蛋白VI的结合伙伴包含预测的卷曲螺旋和亮氨酸拉链区域,初步证据表明其中一个形成稳定的二聚体[83]肌球蛋白VI与这种稳定的二聚体结合伙伴结合,然后可以作为一种加工性二聚体发挥作用。当肌球蛋白VI C末端结构域与脂质体结合时,它可以交联形成二聚体[49]这类似于驱动蛋白马达KIF1A/Unc104,它也在脂质体结合时二聚体,产生的二聚体能够沿着微管过程性地运输脂质体[84]如果肌球蛋白VI参与囊泡运输,则推测囊泡表面的二聚化或聚集在肌动蛋白丝上或与特定结合伙伴结合时,可产生最有效的运输马达[85,86](图1). 然而,二聚体分子在通过质膜下高度交联的皮层肌动蛋白网络移动100nm囊泡方面是否比多个单体更有效,这是一个非常有争议的问题。然而,肌球蛋白VI是否作为单体和/或二聚体存在并在细胞中发挥作用,以及该过程是否可能作为一种新的调节机制,尚待确定。

绑定到特定适配器和绑定伙伴

许多以肌球蛋白VI为靶点/招募到特定细胞内位置并调节/确定其功能的结合伙伴现已通过酵母2杂交筛选、哺乳动物2杂交分析和一系列的在体外体内结合分析(参见表1). 这里简要介绍了其中的四个:

Disabled-2(Dab2)是一种96-kDa蛋白,被认为是低密度脂蛋白受体(LDLR)家族成员的特异性适配器。Dab2具有N-末端磷酸酪氨酸结构域,该结构域不仅与LDLR受体细胞质尾部的内化信号相互作用[87]同时与磷脂酰肌醇如PIP2结合,从而将其附着在质膜上[88]Dab2还与衔接蛋白AP2、网格蛋白、特定的胞内辅助蛋白如Eps15和肌球蛋白VI结合[48,89]因此,Dab2作为一种货物特异性衔接蛋白,对膜受体和质膜上的内吞机制进行分类和连接,从而在氯菊酯介导的内吞中发挥关键作用。肌球蛋白VI与Dab2共同定位于极化细胞顶端区域的网格蛋白包被凹坑和小泡中,表明它们共同参与网格蛋白介导的内吞作用的早期阶段,如受体聚集和包被凹痕形成[48,45,49].

Optineurin;FIP-2;NRP(Nemo相关蛋白)是一种67-kDa蛋白,具有预测的卷曲螺旋区域、两个亮氨酸拉链结构域和一个推测的锌指[90]Optineurin与亨廷顿蛋白结合,亨廷顿是一种参与神经退行性疾病亨廷顿病的大蛋白[91]以及Rab8,一种与从反式-高尔基网络到质膜[55]Optineurin和Rab8将肌球蛋白VI连接到高尔基复合体,共同负责维持高尔基体带状结构,并负责高尔基体向质膜的分泌[54].

GIPC(与GLUT1 C末端结合蛋白、SEMCAP-1和synectin同源)与许多跨膜受体结合,如LDL受体megalin[92],人类促黄体素受体(LHR)[93]和β-1肾上腺素能受体[95]肌球蛋白VI和GIPC可能参与了这些受体的内吞作用[96]肌球蛋白VI-小或无插入亚型与GIPC共同定位于未涂层的内吞囊泡中,并似乎参与了它们通过质膜下方的皮质肌动蛋白丝网络的运动[45,97].

SAP97(突触后密度-95蛋白)包含三个PDZ结构域(蛋白质相互作用结构域)、一个SH3结构域(src同源性3)和一个具有鸟苷酸激酶样序列的区域[98]在突触中与AMPA型谷氨酸受体的Glu1亚单位结合,可能在AMPA受体向质膜的转运中起作用[99100]SAP97与肌球蛋白VI和免疫沉淀物相互作用,作为来自神经细胞的复合物与肌球酶VI和GluR1共同作用[101]肌球蛋白VI可能参与氯氰菊酯介导的AMPA受体的内吞作用,或参与AMPA受体向细胞表面的胞外转运或再循环,而在斯内尔氏waltzer基因敲除小鼠中其缺失会导致突触结构和星形胶质细胞增生缺陷[102].

这些绑定伙伴都绑定到C终端货物绑定尾域上的RRL或WWY特定站点上的两个“热点”(表1)从而可以通过帮助展开和稳定尾部以及将活性分子募集到特定的细胞内位置来调节肌球蛋白VI的功能[49]Dab2结合位点中疏水残基W到L的突变(WWY到WLY)取消了Dab2与肌球蛋白VI的结合,表明这种结合相对较弱,可能是暂时的。然而,这种结合亲和力可能通过与PIP的结合而增加2 [49]和其他内吞蛋白。低亲和力结合基序存在于内吞蛋白中[103]并且有人认为,低亲和力蛋白-蛋白质相互作用对于迅速准确地协调膜转运途径中的各种成分(如内吞作用)至关重要[104,105].

电机域中的插件

肌球蛋白VI在运动域(头部)中有两个独特的插入物,这两个插入物在任何其他类别的肌球蛋白中都不存在,它们调节运动活性和沿肌动蛋白丝运动的方向性。在ATP绑定区域的开关1环路附近插入一个插件(22 aa)会大大降低ADP关闭速度,从而降低ATP重新绑定的速度[26]据推测,如果肌球蛋白VI发挥加工二聚体的功能,那么较慢的ATP再结合将意味着铅头将与肌动蛋白保持较长时间的结合,从而允许两个头之间发生机械协调(门控),这对加工运动至关重要[23]第二个插入物(53 aa)是肌球蛋白VI转化区的一个组成部分,包含一个唯一结合的钙调蛋白[26,20,27]最近已明确证明,这种插入物是导致肌球蛋白VI反向运动的唯一决定因素[106,107]如果这个插入物缺失,那么肌球蛋白VI会像所有其他肌球蛋白一样向肌动蛋白丝的正端移动。由于哺乳动物细胞中表达的所有其他肌球蛋白中都没有这种被称为反向齿轮的插入物,这意味着没有其他肌球蛋白质能够在肌动蛋白上负端方向移动,至少使用这种反向齿轮机制是如此。那么,斯内尔的华尔兹鼠(缺失肌球蛋白VI)是如何存活的呢?哪些其他运动蛋白、机制或途径能够补偿肌球蛋白VI的缺失?这些问题以及其他许多有趣的问题的答案可能很快就会出现。

结论

准确地建立肌球蛋白VI在不同细胞中参与的许多过程中的功能和调控机制,将有助于我们了解它在癌症和耳聋等疾病中的作用,我们希望有助于制定干预策略和确定潜在的药物靶点。独特的逆行运动肌球蛋白VI的多种功能似乎以多种方式调节;例如通过PIP检测尾部和运动区是否存在插入物2/脂质体结合,通过磷酸化、钙结合、结合伙伴,可能还通过其他信号和修饰,共同调节其在细胞中的功能。除锚定或栓系肌球蛋白VI等特定功能外,它还可以作为单体发挥作用,而在贩运途径中,它可以作为二聚体或单体筏发挥作用。其组装状态也可能由表达的特定肌球蛋白VI亚型、细胞类型(例如极化与非极化)以及其所需的细胞骨架结构的性质和组织决定。此外,肌球蛋白VI并不是孤立的,许多其他肌球蛋白、微管马达和特定的结合伙伴也可能调节其功能。在全面了解肌球蛋白VI在细胞中的功能和调节之前,需要确定这些以及更多基本问题的答案。

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