Aktyna jądrowa

Aktyna jądrowa – kurczliwe białko, aktyna, znajdująca się w jądrze komórkowym.

Po raz pierwszy zaobserwowana i opisana w 1977 roku przez Theodore'a Clarka i Roberta Merriama^[1]. W swojej publikacji opisali oni białko uzyskane z frakcji jądrowej oocytów platany szponiastej, wykazujące cechy charakterystyczne dla aktyny z mięśni szkieletowych.

Utrzymanie określonego poziomu aktyny w jądrze możliwe jest m.in. dzięki kontroli transportu tego białka przez błonę jądrową. Niskie stężenie aktyny jądrowej, oddziaływanie z białkami wiążącymi aktynę oraz obecność różnych izoform aktyny pozwala jej pełnić szereg funkcji niezbędnych w prawidłowym przebiegu wielu procesów jądrowych.

Aktyna nie posiada w swojej sekwencji sygnału importu do jądra, jednak jej wielkość (około 43 kDa) pozwala na wnikanie do wnętrza jądra na drodze dyfuzji biernej^[2]. Wykazana eksperymentalnie znaczna szybkość przemieszczania się aktyny pomiędzy cytoplazmą a jądrem wskazuje jednak na istnienie transportu aktywnego. W imporcie aktyny do jądra (prawdopodobnie w kompleksie z kofiliną) bierze udział białko transportowe importyna^[3]. Aktyna zawiera dwa sygnały eksportu z jądra (NES, z ang. nuclear export signal). Wprowadzona do jądra techniką mikroiniekcji zostaje szybko usuwana do cytoplazmy. Jest eksportowana z jądra co najmniej dwiema drogami, m.in. dzięki eksportynie 1 (Exp1) oraz eksportynie 6 (Exp6)^[4][5]. Aktyna jest zatrzymywana w jądrze m.in. dzięki modyfikacji, takiej jak np. SUMOilacja. Dowiedziono, że mutacja uniemożliwiająca SUMOilację powoduje gwałtowny eksport β-aktyny z jądra^[6]. Na podstawie wyników dotychczasowych badań można przedstawić ogólny mechanizm transportu aktyny do jądra^[7]:

• Kofilina, wiążąc monomery ADP-aktyny, importuje aktynę z cytoplazmy do wnętrza jądra.
• Dzięki wyższemu stężeniu ATP w jądrze (w porównaniu z cytoplazmą) następuje wymiana ADP na ATP w kompleksie aktyny z kofiliną. Osłabia to siłę wiązania się tych dwóch białek w kompleksie.
• Rozdysocjowanie kompleksu kofilina-aktyna następuje w wyniku fosforylacji kofiliny przez kinazę jądrową LIM.
• Aktyna w jądrze ulega SUMOilacji, dzięki czemu jest tam zatrzymywana.
• Aktyna może tworzyć kompleksy z profiliną i opuszczać jądro z pomocą białka Exp6.

Obecnie uważa się, że aktyna występuje w jądrze głównie w formie monomerycznej, jednak przyjmuje także formę zarówno oligomerów, jak i krótkich polimerów^[8][9][10].

Organizacja aktyny jądrowej różni się w różnych typach komórek. Przykładowo w oocytach Xenopus, gdzie zaobserwowano wyższy poziom aktyny jądrowej, niż ma to miejsce w komórkach somatycznych, aktyna tworzy filamenty stabilizujące strukturę jądra. Dzięki znakowaniu falloidyną skoniugowaną ze znacznikiem fluorescencyjnym struktury te można obserwować mikroskopowo^[1][2].

W jądrach komórek somatycznych nie udało się jednak zaobserwować filamentów aktyny^[11]. Jedynym wyjątkiem są linie komórkowe, które poddawano m.in. modyfikacjom genetycznym, działaniu leków czy szokowi cieplnemu^[12][10][13]. Obliczenie stopnia spolimeryzowania aktyny metodą pomiaru aktyny jako inhibitora DNazy I^[a] pozwoliło stwierdzić, że endogenna aktyna jądrowa występuje głównie w formie monomerycznej^[14]. Niski, precyzyjnie kontrolowany poziom aktyny w jądrze komórkowym zapobiega tworzeniu się filamentów. Polimeryzację ogranicza także utrudniony dostęp do monomerów aktyny, związanych w kompleksach z białkami wiążącymi aktynę, głównie z kofiliną^[7].

Izoformy aktyny, mimo dużego podobieństwa sekwencji, charakteryzują się różnymi właściwościami biochemicznymi m.in. różną kinetyką polimeryzacji i depolimeryzacji^[15]. Zmiany w poziomie poszczególnych izoform aktyny cytoplazmatycznej mogą mieć znaczenie w istotnych procesach fizjologicznych, takich jak np. wzrost potencjału metastatycznego komórek nowotworowych^[16][17][18]. Poziom izoform aktyny w cytoplazmie i jądrze komórkowym może też ulegać zmianom w odpowiedzi komórek na stymulację wzrostu czy zatrzymanie aktywności proliferacyjnej i transkrypcyjnej^[19].

Wykazano, że w jądrze komórkowym obecne są różne izoformy aktyny. Prace naukowe dotyczące aktyny jądrowej skupiają się głównie na cytoplazmatycznej izoformie beta^{[20][21][22][23]}. Zastosowanie przeciwciał skierowanych wobec różnych izoform aktyny pozwoliło jednak na identyfikację nie tylko cytoplazmatycznej beta, ale i gamma aktyny w jądrach komórek ludzkiego czerniaka^[14], aktyny alfa mięśni szkieletowych w mysich mioblastach^[24], cytoplazmatycznej izoformy gamma, a także izoformy alfa mięśni gładkich w jądrze płodowych mysich fibroblastów^[25].

Występowanie różnych izoform aktyny w jądrze komórkowym może mieć istotny wpływ na pełnione przez aktynę funkcje, zwłaszcza że poziom poszczególnych izoform może być kontrolowany w niezależny od siebie sposób^[14].

Funkcje aktyny w jądrze komórkowym wiążą się z jej zdolnością do polimeryzacji, oddziaływania z białkami wiążącymi aktynę oraz z elementami strukturalnymi jądra. Aktyna jądrowa bierze udział w:

• tworzeniu struktur odpowiedzialnych za architekturę jądra – oddziaływanie aktyny, aII-spektryny i innych białek jest istotne dla zachowania prawidłowego kształtu jądra^[26][27].
• transkrypcji – aktyna uczestniczy w reorganizacji chromatyny^{[28][20][29][30]}, wpływa na regulację struktury chromatyny^[31][32][33], bierze udział w inicjacji transkrypcji i oddziałuje z kompleksem transkrypcyjnym^[34]. Aktyna oddziałuje zarówno z polimerazą RNA I^[23], II^[21], jak i III^[22].
• regulacji aktywności genów – przyłączając się do regionów regulatorowych genów^{[35][36][37][38]}. Wpływ aktyny na regulację aktywności genów wykorzystuje się m.in. w metodzie „reprogramowania molekularnego”, dzięki której zróżnicowane komórki mogą powracać do swojego stanu embrionalnego^[37][39].
• przenoszeniu zaktywowanego fragmentu chromosomu z rejonu podbłonowego w rejon euchromatyny, gdzie rozpoczyna się transkrypcja. Ruch odbywa się dzięki oddziaływaniu aktyny z miozyną^[40][41][42].
• różnicowaniu się mioblastów z tworzeniem się miotubuli – podczas miogenezy wzrasta poziom kompleksu aktyny z emeryną, co wskazuje na równoległą regulację emeryny, aktyny i lamin w trakcie tego procesu^[24][43].
• integracji przedziałów komórkowych – cytoplazmy i jądra. Aktyna jest cząsteczką sygnałową, integrującą cytoplazmatyczny i jądrowy szlak przekazywania informacji^[44]. Przykład stanowi aktywacja szlaku sygnałowego w odpowiedzi na stymulację komórek surowicą in vitro^[45][46][47].

Dzięki swojej zdolności do zmian konformacyjnych i oddziaływań z wieloma białkami aktyna pełni rolę regulatora tworzenia się i aktywności kompleksów białkowych np. kompleksu transkrypcyjnego^[34].