Cofilin-induzierte Strukturveränderungen in Aktinfilamenten bleiben lokal
Aktin ist ein wichtiges Zytoskelettprotein, das eine entscheidende Rolle bei einer Reihe von biologischen Ereignissen spielt, die Krafterzeugung und Formänderungen beinhalten. Aktinmonomere werden zu Aktinfilamenten polymerisiert, die zusammen mit vielen assoziierten Proteinen als Kern des Aktinzytoskeletts dienen. Obwohl gereinigtes Aktin unter physiologischen Bedingungen in Reagenzgläsern spontan polymerisiert werden kann, werden der Auf- und Abbau von Aktin innerhalb von Zellen räumlich und zeitlich gesteuert. Zum Beispiel kann eine konzertierte gerichtete Anordnung von Aktinfilamenten Membranen und Organellen drücken, während die Demontage von Aktinfilamenten zur Umgestaltung des Zytoskeletts und zum Recycling von zerlegten Aktinmonomeren für eine neue Runde der Aktinpolymerisation beiträgt. Daher ist häufig eine koordinierte Regulation des Aktinaufbaus und -abbaus erforderlich, um ein normales zelluläres Verhalten zu erreichen. Insbesondere der Abbau von Aktinfilamenten ist eine herausfordernde Aufgabe im Zytoplasma. Sobald Aktin polymerisiert ist, begrenzt die langsame spontane Dissoziation von Aktin-Untereinheiten aus Filamenten die Geschwindigkeit des gesamten Aktinumsatzes. Darüber hinaus enthält das Zytoplasma im Allgemeinen hohe Konzentrationen an Aktinmonomeren, die den Nettoaktinaufbau erhöhen können. Einer der Faktoren, die die Demontage von Aktinfilamenten fördern, ist die Proteinfamilie Actin Depolymerizing Factor (ADF) / Cofilin, die in verschiedenen Zelltypen in Eukaryoten exprimiert wird und an zellulären Prozessen beteiligt ist, die eine dynamische Umlagerung des Aktinzytoskeletts erfordern, wie z Zellmigration, Zytokinese und Morphogenese (1, 2). ADF / Cofilin (im Folgenden als Cofilin bezeichnet) fördert die Aktindepolymerisation und erhöht den Aktinumsatz (3⇓-5). Cofilin bindet an die Seite von Aktinfilamenten in einem molaren Verhältnis von 1: 1 (Cofilin: Aktin-Untereinheit) in kooperativer Weise, so dass Cluster von Cofilin-dekorierten Regionen erzeugt werden. Dann tritt häufig ein Fadentrennen an oder in der Nähe von Grenzen zwischen cofilindekorierten und blanken Bereichen auf dem Filament auf (6, 7). Daher trennt Cofilin Aktinfilamente am effizientesten, wenn Cofilin bei niedrigen Dichten an Filamente bindet (8). Der Mechanismus der Filamenttrennung an den Rändern von Cofilinclustern bleibt jedoch unklar. Cofilingebundene Aktinfilamente unterscheiden sich strukturell von bloßen Aktinfilamenten (9⇓ -11), was zu der Hypothese führte, dass strukturelle Diskontinuitäten an den Grenzen zwischen cofilingebundenen und bloßen Regionen mechanisch fragile Punkte erzeugen (12). Andere Studien zeigen jedoch, dass sich Cofilin-induzierte Strukturveränderungen in nackte Regionen ausbreiten (13, 14). Um dieses Problem zu klären, hat eine von De La Cruz und Sindelar (15) geleitete Arbeitsgruppe kürzlich strukturelle Variationen von Aktinfilamenten mit Cofilin-Clustern mittels Kryoelektronenmikroskopie analysiert und gezeigt, dass Cofilin-induzierte strukturelle Veränderungen innerhalb von zwei Aktin-Untereinheiten an den Grenzen begrenzt sind. In PNAS, Huehn et al. (16) bestimmen Sie ferner atomnahe Strukturen von Cofilin und Aktin an den Grenzen und zeigen Sie, dass Cofilin strukturelle Veränderungen an Aktinuntereinheiten nur lokal durch direkte Kontakte induziert, ohne benachbarte Aktinuntereinheiten in einer bloßen Region zu beeinflussen. Die hochauflösende Struktur von Aktin-Untereinheiten an den Rändern von Cofilin-Clustern liefert Hinweise auf das Verständnis des Mechanismus der Cofilin-induzierten Aktin-Filamenttrennung.
Aktinfilamente sind polarisierte zweisträngige helikale Polymere (17). Die stapelweise Polymerisation von Aktin erzeugt zwei Filamentenden mit unterschiedlichen biochemischen Eigenschaften: spitze (oder minus) und stachelige (oder Plus) Enden (18) (Abb. 1A). Cofilin kontaktiert zwei longitudinal positionierte Aktin-Untereinheiten auf demselben Protofilament und verändert die Verdrillung des Filaments (9). Cofilin verändert auch die Konformation von Aktin-Untereinheiten, so dass longitudinale Kontakte zwischen den beiden Aktin-Untereinheiten unterbrochen werden (10, 11). Selbst bei der Cofilin-induzierten Störung der Aktin-Aktin-Bindungen sind Cofilin-gesättigte Aktinfilamente nicht ohne weiteres fragmentiert (8), da Cofilin als Querbrücke wirkt, die die beiden longitudinalen Aktin-Untereinheiten stabilisiert. Wenn nur ein einziges Cofilinmolekül an ein Filament gebunden ist, Huehn et al. (16) finden Sie, dass nur die obere (die spitze Seite) Aktin-Untereinheit die Cofilin-induzierte Konformation annimmt, so dass die longitudinale Aktin-Aktin-Bindung nur zwischen der oberen Cofilin-gebundenen Untereinheit (i in Fig. 1B) und der benachbarten längs angeordneten Untereinheit (+2 in Fig. 1B). Somit macht ein einzelnes Cofilin einen zerbrechlichen Punkt auf nur einem Protofilament, ohne das gegenüberliegende Protofilament zu beeinflussen, was nicht ausreicht, um ein effizientes Durchtrennen zu verursachen.
