предметів
- Клітинна біологія
- Структурна біологія
Структурні дослідження дають огляд механізмів, які контролюють контрольно-пропускний пункт у поділі клітин, що перешкоджає сегрегації хромосом, перш ніж вони будуть правильно вирівняні на структурі, яка називається мітотичним веретеном. Див. Статтю с.431
Пізно при поділі клітин дубльовані хромосоми розділяються структурою, званою мітотичним веретеном. Цей процес, який називається мітозом, гарний для перегляду, але повний небезпек: помилки можуть виробляти дочірні клітини з неоднаковими геномами, готуючи грунт для загибелі клітин або раку. Щоб уникнути цих помилок, клітина розвивається на велику довжину, і найвищим із її механізмів безпеки є контрольна точка 1 монтажу шпинделя (SAC) - регуляторна система, яка запобігає спробі клітини відокремити хромосоми, якщо вони неправильно підключені до веретена. Вперше про ключові білкові компоненти SAC було повідомлено влітку 1991 р. (Посилання 2, 3). Рівно 25 років потому два документи (Alfieri et al. 4 на сторінці 431 та Yamaguchi et al. 5 у Molecular Cell) майже детально описують, як SAC запобігає поділу хромосом.
Центральним героєм цієї історії є комплекс, що стимулює анафазу (APC/C) 6/циклозома6. Цей фермент пов'язує білок убиквітин із конкретними субстратними білками, мітить їх для руйнування, тим самим звільняючи поділ хромосом і завершуючи мітотичний процес. Наприклад, ключовою мішенню APC/C є білок сецин, який інгібує фермент протеази, який розщеплює білки, які утримують дублюючі хромосоми. Зв'язування субстрату з APC/C залежить від білка, який називається Cdc20 (рис. La), який зв'язує APC/C під час мітозу та приймає субстрати через взаємодію з короткими лінійними амінокислотними послідовностями у мішенях, що називаються дегронами.
a, Комплекс ферменту/циклосоми, що стимулює анафазу (APC/C), залежить від активності та зв'язування субстрату з активуючою субодиницею, що називається Cdc20. Cdc20 містить сайти зв'язування для трьох коротких амінокислотних послідовностей, званих дегронами. Мішені APC/C (не показано), що містять ці дегрони, зв’язуються з цими ділянками і позначаються білком убиквітином (Ub), який переноситься із сусіднього коферменту Е2. b, Альф’єрі та ін. 4 та Yamaguchi et al. 5 показано, що комплекс мітотичних контрольних точок, що містить білки BubR1, Bub3, Mad2 та інші Cdc20, взаємодіє з зв’язаним з Cdc20 APC/C, утворюючи замкнутий інгібуючий стан, в якому зв'язування E2 блокується (Bub3 не показано, оскільки його розташування не показано). неможливо визначити в групових структурах). Невпорядковані області в субодиниці BubR1 містять дегрони, які займають усі шість ділянок зв'язування дегронів на двох молекулах Cdc20, тим самим перешкоджаючи зв'язуванню субстрату.
Повнорозмірне зображення
Як SAC блокує поділ хромосом? Хромосоми, неправильно прикріплені до веретена, утворюють комплекс мітотичного контрольно-пропускного пункту (MCC), що містить три компоненти SAC (Mad2, BubR1 і Bub3) і Cdc20. MCC пов'язує та інгібує пов'язаний з Cdc20 APC/C (APC/C Cdc20), утворюючи великий комплекс, що називається APC/C MCC, що містить дві копії Cdc20 (посилання 1, 6, 7). Альф’єрі та ін. та Ямагучі та ін. використовуйте кріоелектронну мікроскопію, щоб розкрити структури цього величезного масиву з високою роздільною здатністю.
Структура такого розміру та складності, підкріплена 25-річним генетичним, біохімічним та структурним аналізом, містить величезну кількість інформації для закоханих, але її головне значення полягає в точному описі механізмів, за допомогою яких MCC інгібує APC/C Cdc20. Обидва дослідження показують, що MCC взаємодіє з фронтом APC/C, поруч із попередньо зв'язаною субодиницею Cdc20 (рис. 1b). Субодиниця BubR1 діє як інгібітор псевдосубстрату - вона містить дві копії кожної з трьох основних послідовностей дегронів і обертається навколо двох субодиниць Cdc20, щоб зайняти всі ділянки зв'язування дегронів на обох, блокуючи зв'язування субстрату з APC/C. більш яскрава ілюстрація мотивів сили короткої лінії, таких як дегрони в регуляції клітин. Крім того, MCC запобігає зв'язуванню між APC/C та коферментом E2, який зазвичай забезпечує убиквітин для переносу до цільових білків.
Нові структури також забезпечують потенційне пояснення попередніх доказів того, що деякі білки убіквітуються APC/C Cdc20, навіть якщо комплекс пов'язаний з MCC. Наприклад, субстратні білки APC/C циклін A та Nek2A розкладаються на початку мітозу, коли активний SAC 6. Подібним чином, субодиниця Cdc20 MCC маркується убиквітином за допомогою APC/C, що сприяє обороту MCC 1. Як APC/C, MCC модифікує ці білки, незважаючи на механізми, за допомогою яких він пригнічує свою активність?
На додаток до описаної вище "закритої" конформації, ці два дослідження виявляють менш поширений "відкритий" стан, в якому MCC зміщується, щоб забезпечити зв'язування E2. Ця перехідна умова дозволяє усюквітинацію Cdc20 за допомогою APC/C MCC, а також може пояснити всюдисквітинацію цикліну A та Nek2A, які зв’язуються з APC/C Cdc20 не тільки на заблокованих BubR1 сайтах, але й на інших сайтах (посилання 6). З відкритою структурою в руках ми можемо розкрити ці механізми. Важливо також вивчити динаміку зсуву між конформаційними станами та вплив інших регуляторних білків на цю динаміку.
Ці структури MCC APC/C наближаються до п’ятого структурного дослідження 8 Zhang et al. який вирішив ще одне важливе питання регулювання APC/C. Відомо, що фермент мітотичної протеїнкінази Cdk1-циклін B фосфорилює APC/C для сприяння його активації Cdc20. Потім APC/C Cdc20 запускає деградацію цикліну B, щоб інактивувати Cdk1. Цей негативний зворотний зв'язок вважається основою генератора, який контролює ріст і спад активності Cdk1 під час клітинного циклу 9, але багато чого не було зрозуміло щодо цієї схеми. Як фосфорилювання активує APC/C Cdc20? Як затримується активація APC/C, щоб забезпечити збільшення активності Cdk1 при ранньому мітозі - навіть у клітинах, у яких SAC відсутній?
Аналіз Чжана та його колег разом із останніми біохімічними дослідженнями 10, 11 дає цінні підказки. Фосфорилювання ділянки петлі в субодиниці Apc3 APC/C забезпечує місця стикування для фосфатно-зв'язуючої субодиниці Cdk1-цикліну B.Закріплення Cdk1-цикліну B збільшує його активність щодо неоптимальних місць фосфорилювання в петлі на іншій субодиниці APC/C Apc1. Цей невпорядкований цикл містить короткий "автоінгібуючий" сегмент, який займає сайт зв'язування Cdc20 на APC/C, але фосфорилювання зміщує сегмент, дозволяючи Cdc20 зв'язувати та активувати APC/C. Повільний багатоступеневий характер цього процесу забезпечує надійний механізм для введення затримки між активацією Cdkl. та активацією Cdc20 APC/C за необхідності для негативного зворотного зв'язку для створення надійного генератора 9, 12 .
Ми не чули останнього слова щодо фосфорегуляції APC/C. На додаток до місць, описаних вище 8, 10, 11, APC/C містить багато сайтів фосфорилювання, залишаючи відкритою можливість інших механізмів регулювання або зв'язків між фосфорилюванням та SAC.
Наступне питання залишається невирішеним. Після мітозу Cdc20 деградує, а APC/C взаємодіє з пов'язаним з Cdc20 білком Cdhl. Cdhl взаємодіє з місцем, зайнятим автоінгібуючим сегментом Apcl, і все ж фосфорилювання цього сегмента не потрібно для зв'язування Cdhl. Як Cdh1 зв'язується з цим регіоном? Cdhl може бути кращим конкурентом, ніж Cdc20, для зв'язування на цій ділянці 8, або можуть бути інші механізми.
Нарешті, сегменти Apc1 та нехребетні автоінгібуючі сегменти погано збережені в еволюційному плані, що викликає питання щодо регулювання APC/C у інших видів. На щастя, вирішити ці та пов’язані з ними проблеми стало набагато простіше, тепер, коли ми маємо міцну структурну основу, на якій можна будувати майбутні експерименти. Ми є важливим кроком ближче до розуміння надзвичайної стійкості мітозу.
Примітки
Дивіться всі новини та думки
Пов’язані посилання
Пов’язані посилання в опитуванні природи
- Структурна біологія: новий вигляд APC
- Поділ клітини: Зачекайте і відпустіть
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.