Cofilin-inducerede strukturelle ændringer i actinfilamenter forbliver lokale

Actin er et vigtigt cytoskeletalt protein, der spiller afgørende roller i en række biologiske begivenheder, der involverer kraftgenerering og formændringer. Actinmonomerer polymeriseres til actinfilamenter, der tjener som en kerne af actincytoskelettet sammen med mange associerede proteiner. Selvom oprenset actin kan polymeriseres spontant under fysiologiske forhold i reagensglas, kontrolleres samling og demontering af actin rumligt og midlertidigt i celler. For eksempel kan samordnet retningsbestemt samling af actinfilamenter skubbe membraner og organeller, hvorimod demontering af actinfilamenter bidrager til cytoskeletal remodeling og genanvendelse af adskilte actinmonomerer til en ny runde af actinpolymerisering. Derfor kræves ofte koordineret regulering af actinmontering og demontering for at opnå normal cellulær adfærd. Især er demontering af actinfilament en udfordrende opgave i cytoplasmaet. Når actin er polymeriseret, begrænser langsom spontan dissociation af actinunderenheder fra filamenter hastigheden af den samlede actinomsætning. Derudover indeholder cytoplasmaet generelt høje koncentrationer af actinmonomerer, der kan øge net actinsamlingen. En af de faktorer, der fremmer demontering af actinfilament, er actin depolymeriserende faktor (ADF)/cofilin-familien af proteiner, som udtrykkes i forskellige celletyper på tværs af eukaryoter og involveret i cellulære processer, der kræver dynamisk omlejring af actincytoskelettet, såsom cellemigration, cytokinesis og morfogenese (1, 2). ADF / cofilin (i det efterfølgende benævnt cofilin) fremmer actin depolymerisering og øger actin omsætning (3 l-5). Cofilin binder til siden af actinfilamenter ved et 1:1 (cofilin: actin-underenhed) molforhold på en kooperativ måde, således at klynger af cofilin-dekorerede regioner genereres. Derefter forekommer filamentskæring ofte ved eller nær grænser mellem cofilin-dekorerede og nakne områder på filamentet (6, 7). Derfor afskærer cofilin actinfilamenter mest effektivt, når cofilin binder til filamenter ved lave tætheder (8). Imidlertid forbliver mekanismen for filamentskæring ved kanterne af cofilin-klynger uklar. Cofilin-bundne actinfilamenter er strukturelt forskellige fra bare actinfilamenter (9 liter -11), hvilket førte til en hypotese om, at strukturelle diskontinuiteter ved grænserne mellem cofilin-bundne og bare regioner genererer mekanisk skrøbelige punkter (12). Andre undersøgelser viser imidlertid, at cofilin-inducerede strukturelle ændringer formeres til bare regioner (13, 14). For at afklare dette problem har en samarbejdsgruppe ledet af Sindelar (15) for nylig analyseret strukturelle variationer af actinfilamenter med cofilinklynger ved hjælp af kryo-elektronmikroskopi og demonstreret, at cofilin-inducerede strukturelle ændringer er begrænset inden for to actin-underenheder ved grænserne. I PNAS, Huehn et al. (16) yderligere bestemme nær-atomare strukturer af cofilin og actin ved grænserne og viser, at cofilin kun inducerer strukturelle ændringer på actinunderenheder lokalt ved direkte kontakter uden at påvirke nærliggende actinunderenheder i en bar region. Den høje opløsningsstruktur af actinunderenheder i udkanten af cofilin-klynger giver ledetråde til forståelse af mekanismen for cofilin-induceret actinfilamentskæring.

actinfilamenter er polariserede tostrengede spiralformede polymerer (17). Polymerisering af actin på en stabling måde genererer to filamentender med forskellige biokemiske egenskaber: spidse (eller minus) og pigtråd (eller plus) ender (18) (Fig. 1A). Cofilin kommer i kontakt med to actin-underenheder i længderetningen på det samme protofilament og ændrer trådens vridning (9). Cofilin ændrer også konformationen af actinunderenheder, således at langsgående kontakter mellem de to actinunderenheder forstyrres (10, 11). Selv med den cofilin-inducerede forstyrrelse i actin–actinbindinger er cofilinmættede actinfilamenter ikke let fragmenterede (8), fordi cofilin fungerer som en tværbro, der stabiliserer de to langsgående actin-underenheder. Når kun et enkelt cofilinmolekyle er bundet til et filament, Huehn et al. (16) find ud af, at kun den øvre (den spidse endeside) actin-underenhed vedtager den cofilin-inducerede konformation, således at den langsgående actin-actinbinding kun forstyrres mellem den øvre cofilin-bundne underenhed (i i Fig. 1B) og den tilstødende underenhed i længderetningen (+2 i Fig. 1B). Således gør et enkelt cofilin et skrøbeligt punkt på kun et protofilament uden at påvirke det modsatte protofilament, hvilket ikke er tilstrækkeligt til at forårsage effektiv afskæring.