Aktyna jądrowa

Aktyna jądrowa to kurczliwe białko, które znajduje się w jądrze komórkowym. Po raz pierwszy została zaobserwowana i opisana w 1977 roku przez Theodore’a Clarka oraz Roberta Merriama. W ich publikacji przedstawiono białko pozyskane z frakcji jądrowej oocytów platany szponiastej, które wykazywało cechy charakterystyczne dla aktyny obecnej w mięśniach szkieletowych.

Utrzymanie odpowiedniego poziomu aktyny w jądrze jest możliwe dzięki regulacji transportu tego białka przez błonę jądrową. Niskie stężenie aktyny jądrowej oraz interakcje z białkami wiążącymi aktynę, a także różne izoformy aktyny, umożliwiają jej pełnienie wielu funkcji niezbędnych do właściwego przebiegu procesów jądrowych.

Transport aktyny przez błonę jądrową

Choć aktyna nie zawiera sekwencji sygnału importu do jądra, jej masa (około 43 kDa) umożliwia jej bierne wnikanie do jądra na drodze dyfuzji. Jednakże, znaczna szybkość transportu aktyny między cytoplazmą a jądrem sugeruje, że istnieje również mechanizm transportu aktywnego. W procesie importu aktyny do jądra, prawdopodobnie w kompleksie z kofiliną, bierze udział białko transportowe zwane importyną. Aktyna posiada dwa sygnały eksportu z jądra (NES, z ang. nuclear export signal). Po wprowadzeniu do jądra za pomocą mikroiniekcji, szybko trafia z powrotem do cytoplazmy. Eksportowana jest co najmniej dwiema drogami, w tym przez białka eksportynę 1 (Exp1) oraz eksportynę 6 (Exp6).

Aktyna jest zatrzymywana w jądrze dzięki modyfikacjom, takim jak SUMOilacja. Badania wykazały, że mutacja, która uniemożliwia SUMOilację, prowadzi do szybkiego eksportu β-aktyny z jądra.

Na podstawie dotychczasowych badań można przedstawić ogólny mechanizm transportu aktyny do jądra:

Kofilina wiąże monomery ADP-aktyny i importuje aktynę z cytoplazmy do jądra.
Dzięki wyższemu stężeniu ATP w jądrze (w porównaniu z cytoplazmą) dochodzi do wymiany ADP na ATP w kompleksie aktyny z kofiliną, co osłabia ich wiązanie.
Rozdzielenie kompleksu kofilina-aktyna zachodzi na skutek fosforylacji kofiliny przez kinazę jądrową LIM.
Aktyna ulega SUMOilacji w jądrze, co pozwala na jej zatrzymanie.
Aktyna może tworzyć kompleksy z profiliną i opuszczać jądro z pomocą białka Exp6.

Organizacja aktyny jądrowej

Obecnie uważa się, że aktyna w jądrze występuje głównie w formie monomerycznej, ale może także tworzyć oligomery oraz krótkie polimery. Organizacja aktyny jądrowej różni się w zależności od typu komórek. Na przykład, w oocytach Xenopus, gdzie zaobserwowano wyższy poziom aktyny jądrowej niż w komórkach somatycznych, aktyna tworzy filamenty stabilizujące strukturę jądra. Dzięki zastosowaniu falloidyny skoniugowanej ze znacznikiem fluorescencyjnym, te struktury można obserwować mikroskopowo.

W jądrach komórek somatycznych filamenty aktyny nie zostały zaobserwowane, z wyjątkiem komórek, które były modyfikowane genetycznie, poddawane działaniu leków lub szokowi cieplnemu. Pomiar aktyny jako inhibitora DNazy I pozwolił ustalić, że endogenna aktyna jądrowa występuje głównie w formie monomerycznej. Niski, precyzyjnie kontrolowany poziom aktyny w jądrze zapobiega tworzeniu się filamentów, a polimeryzację ogranicza również trudny dostęp do monomerów aktyny, które są związane z białkami wiążącymi aktynę, w szczególności z kofiliną.

Izoformy aktyny w jądrze komórkowym

Izoformy aktyny, pomimo dużego podobieństwa sekwencji, różnią się właściwościami biochemicznymi, takimi jak kinetyka polimeryzacji i depolimeryzacji. Zmiany w poziomie poszczególnych izoform aktyny cytoplazmatycznej mogą mieć znaczenie w kluczowych procesach fizjologicznych, jak na przykład wzrost potencjału metastatycznego komórek nowotworowych. Poziomy izoform aktyny w cytoplazmie i jądrze komórkowym mogą także zmieniać się w odpowiedzi na stymulację wzrostu lub zatrzymanie aktywności proliferacyjnej i transkrypcyjnej.

Badania wykazały obecność różnych izoform aktyny w jądrze komórkowym. Prace naukowe dotyczące aktyny jądrowej koncentrują się głównie na cytoplazmatycznej izoformie beta. Dzięki zastosowaniu przeciwciał skierowanych przeciwko różnym izoformom aktyny, zidentyfikowano nie tylko cytoplazmatyczną beta, ale także gamma aktynę w jądrach komórek ludzkiego czerniaka, aktynę alfa mięśni szkieletowych w mysich mioblastach oraz cytoplazmatyczną izoformę gamma, a także alfa izoformę mięśni gładkich w jądrze płodowych mysich fibroblastów.

Obecność różnych izoform aktyny w jądrze komórkowym może znacząco wpływać na funkcje, jakie pełni aktyna, ponieważ poziom poszczególnych izoform może być kontrolowany niezależnie od siebie.

Funkcje aktyny jądrowej

Funkcje aktyny w jądrze komórkowym są związane z jej zdolnością do polimeryzacji, interakcji z białkami wiążącymi aktynę oraz z elementami strukturalnymi jądra. Aktyna jądrowa uczestniczy w:

tworzeniu struktur odpowiedzialnych za architekturę jądra – interakcja aktyny, aII-spektryny i innych białek jest kluczowa dla zachowania prawidłowego kształtu jądra.
transkrypcji – aktyna wpływa na reorganizację chromatyny, regulację jej struktury, inicjację transkrypcji oraz oddziałuje z kompleksem transkrypcyjnym, w tym z polimerazą RNA I, II i III.
regulacji aktywności genów – poprzez wiązanie się z regionami regulatorowymi genów. Wpływ aktyny na regulację aktywności genów wykorzystuje się w metodzie „reprogramowania molekularnego”, co pozwala zróżnicowanym komórkom powrócić do stanu embrionalnego.
przenoszeniu aktywowanego fragmentu chromosomu z rejonu podbłonowego do euchromatyny, gdzie rozpoczyna się transkrypcja. Ruch ten odbywa się dzięki interakcji aktyny z miozyną.
różnicowaniu mioblastów i tworzeniu miotubuli – podczas miogenezy wzrasta poziom kompleksu aktyny z emeryną, co sugeruje współzależną regulację emeryny, aktyny i lamin w tym procesie.
integracji cytoplazmy i jądra – aktyna działa jako cząsteczka sygnałowa, łącząc szlaki przekazywania informacji cytoplazmatyczne i jądrowe, np. w odpowiedzi na stymulację komórek surowicą in vitro.

Dzięki zdolności do zmian konformacyjnych i interakcji z wieloma białkami, aktyna odgrywa rolę regulatora w tworzeniu i aktywności kompleksów białkowych, takich jak kompleks transkrypcyjny.