I cambiamenti strutturali indotti dalla cofilina nei filamenti di actina rimangono locali

L’actina è una proteina citoscheletrica importante che svolge ruoli cruciali in una serie di eventi biologici che coinvolgono la generazione di forza e cambiamenti di forma. I monomeri di actina sono polimerizzati in filamenti di actina, che fungono da nucleo del citoscheletro di actina insieme a molte proteine associate. Sebbene l’actina purificata possa essere polimerizzata spontaneamente in condizioni fisiologiche in provette, il montaggio e lo smontaggio dell’actina sono controllati spazialmente e temporalmente all’interno delle cellule. Ad esempio, l’assemblaggio direzionale concertato di filamenti di actina può spingere membrane e organelli, mentre lo smontaggio dei filamenti di actina contribuisce al rimodellamento citoscheletrico e al riciclaggio dei monomeri di actina smontati per un nuovo ciclo di polimerizzazione dell’actina. Di conseguenza, la regolazione coordinata dell’assemblea e dello smontaggio dell’actina è richiesta spesso raggiungere i comportamenti cellulari normali. In particolare, lo smontaggio del filamento di actina è un compito impegnativo nel citoplasma. Una volta che l’actina è polimerizzata, la lenta dissociazione spontanea delle subunità di actina dai filamenti limita il tasso di turnover complessivo dell’actina. Inoltre, il citoplasma contiene generalmente alte concentrazioni di monomeri di actina che possono aumentare l’assemblaggio netto di actina. Uno dei fattori che promuovono lo smontaggio del filamento di actina è la famiglia di proteine depolimerizzazione dell’actina (ADF)/cofilin, che è espressa in vari tipi di cellule tra gli eucarioti e coinvolta in processi cellulari che richiedono un riarrangiamento dinamico del citoscheletro di actina, come la migrazione cellulare, la citocinesi e la morfogenesi (1, 2). ADF / cofilin (di seguito denominato cofilin) promuove la depolimerizzazione dell’actina e migliora il turnover dell’actina (3–5). La cofilina si lega al lato dei filamenti di actina in un rapporto molare 1:1 (cofilina:subunità di actina) in modo cooperativo in modo tale da generare gruppi di regioni decorate con cofilina. Quindi, la rottura del filamento si verifica frequentemente a o vicino ai confini tra le regioni decorate con cofilin e nude sul filamento (6, 7). Pertanto, cofilin separa i filamenti di actina in modo più efficiente quando cofilin si lega ai filamenti a basse densità (8). Tuttavia, il meccanismo di taglio del filamento ai bordi dei cluster di cofilin rimane poco chiaro. I filamenti di actina legati alla cofilina sono strutturalmente diversi dai filamenti di actina nuda (9⇓-11), il che ha portato all’ipotesi che le discontinuità strutturali ai confini tra le regioni legate alla cofilina e quelle nude generino punti meccanicamente fragili (12). Tuttavia, altri studi dimostrano che i cambiamenti strutturali indotti dalla cofilina sono propagati in regioni nude (13, 14). Per chiarire questo problema, un gruppo collaborativo guidato da De La Cruz e Sindelar (15) ha recentemente analizzato le variazioni strutturali dei filamenti di actina con cluster di cofiline usando la microscopia crio-elettronica e ha dimostrato che i cambiamenti strutturali indotti dalla cofilina sono limitati all’interno di due subunità di actina ai confini. In PNAS, Huehn et al. (16) determinare ulteriormente le strutture quasi atomiche di cofilin e actina ai confini e mostrare che cofilin induce solo cambiamenti strutturali sulle subunità di actina localmente da contatti diretti senza influenzare le subunità di actina vicine in una regione nuda. La struttura ad alta risoluzione delle subunità di actina ai margini dei cluster di cofilin fornisce indizi per comprendere il meccanismo di taglio del filamento di actina indotto da cofilin.

I filamenti di actina sono polimeri elicoidali a due fili polarizzati (17). La polimerizzazione dell’actina in modo impilabile genera due estremità del filamento con proprietà biochimiche distinte: estremità appuntite (o meno) e spinate (o più) (18) (Fig. 1 BIS). Cofilin contatta due subunità di actina posizionate longitudinalmente sullo stesso protofilamento e modifica la torsione del filamento (9). Cofilin altera anche la conformazione delle subunità di actina in modo tale che i contatti longitudinali tra le due subunità di actina siano interrotti (10, 11). Anche con il disturbo indotto da cofilin nei legami actina-actina, i filamenti di actina saturi di cofilin non sono facilmente frammentati (8) perché cofilin agisce come un ponte incrociato che stabilizza le due subunità longitudinali di actina. Quando solo una singola molecola di cofilina è legata a un filamento, Huehn et al. (16) trova che solo la subunità di actina superiore (il lato a punta) adotta la conformazione indotta dalla cofilina, tale che il legame longitudinale actina-actina viene interrotto solo tra la subunità superiore legata alla cofilina (i in Fig. 1B) e la subunità adiacente posizionata longitudinalmente (+2 in Fig. 1 TER). Così, un singolo cofilin fa un punto fragile su soltanto un protofilamento senza colpire il protofilamento opposto, che non è sufficiente causare la separazione efficiente.