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關(guān)于內(nèi)參蛋白Actin,那些你不知道的事兒

閱讀:172      發(fā)布時(shí)間:2024-10-22
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Actin(肌動(dòng)蛋白)是細(xì)胞骨架蛋白的重要組成蛋白之一,分子量為43kDa,在物種之間高度保守。根據(jù)Actin的功能和組織定位的不同,主要分為三類:α-肌動(dòng)蛋白(α-actin)、β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)和γ-膜肌動(dòng)蛋白(γ-smooth muscle actin)。

1)α-actin存在于肌肉組織中,包括平滑肌和心肌,參與了細(xì)胞的收縮和肌肉運(yùn)動(dòng);

2)β-actin廣泛存在于細(xì)胞各個(gè)部位,包括細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞骨架,它參與了多種細(xì)胞活動(dòng),如細(xì)胞形態(tài)變化、細(xì)胞遷移和細(xì)胞分裂;

3)γ-smooth muscle actin主要表達(dá)于平滑肌細(xì)胞,參與平滑肌收縮和組織修復(fù)。

 

其中,β-actin常被用作內(nèi)參蛋白,從而被大家所熟知,它可以作為實(shí)驗(yàn)中蛋白負(fù)載量和表達(dá)水平的標(biāo)準(zhǔn)參照物。在WB實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)檢測(cè)和對(duì)比目標(biāo)蛋白與β-肌動(dòng)蛋白的相對(duì)表達(dá)水平,可以對(duì)目標(biāo)蛋白的表達(dá)進(jìn)行定量和比較。然而,Actin的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止內(nèi)參蛋白那么簡(jiǎn)單,根據(jù)Nature、Science、Cell等zhi名期刊上發(fā)布的相關(guān)研究結(jié)果表明,它在囊泡運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞遷移、吞噬和細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)壬镞^(guò)程和疾病研究中都發(fā)揮著重要的功能作用。接下來(lái),就和大家一起來(lái)聊聊關(guān)于Actin那些你不知道的事兒~

 

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一、Actin的研究方案

 

1、肌動(dòng)蛋白聚合物的檢測(cè)

 

在生理?xiàng)l件下,球狀肌動(dòng)蛋白(G-actin)很容易聚合成絲狀肌動(dòng)蛋白(F-actin),同時(shí)發(fā)生ATP水解(圖1)。肌動(dòng)蛋白在體外可以從兩端聚合,由于聚合速度快慢的差異,導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白絲具有內(nèi)在極性,我們通常將聚合速度快的一端稱為正端或倒鉤端,而聚合速度慢的那一端稱為負(fù)端或jian端。

 

圖1 肌動(dòng)蛋白絲的雙螺旋結(jié)構(gòu)

 

肌動(dòng)蛋白的聚合取決于肌動(dòng)蛋白單體對(duì)細(xì)絲末端的親和力,肌動(dòng)蛋白單體存在一個(gè)臨界濃度(CC),當(dāng)?shù)陀谠摑舛?,肌?dòng)蛋白不會(huì)聚合;當(dāng)單體濃度高于CC時(shí),肌動(dòng)蛋白將發(fā)生聚合,直到游離單體濃度等于CC。然而,當(dāng)我們?cè)隗w外研究肌動(dòng)蛋白時(shí),它的程度則取決于所使用的條件。舉個(gè)例子,在4°C條件下,肌動(dòng)蛋白在2mM Mg2+和50mM KCl溶液中的CC值為0.03mg/mL,當(dāng)這些離子不存在時(shí),CC值則會(huì)超過(guò)3.0mg/mL。因此,我們可以通過(guò)改變離子類型和濃度,來(lái)改變聚合物的數(shù)量。

 

通過(guò)檢測(cè)肌動(dòng)蛋白聚合物,可以評(píng)估不同化合物對(duì)肌動(dòng)蛋白功能的影響,目前常用的檢測(cè)方法有以下4種:

 

1)芘結(jié)合熒光法

較通用、較靈敏、最易于操作的檢測(cè)方法,對(duì)照樣本和測(cè)試樣本與少量芘連接的肌動(dòng)蛋白混合,然后用熒光計(jì)跟蹤聚合情況。芘肌動(dòng)蛋白單體與聚合物結(jié)合后,熒光信號(hào)增強(qiáng)高達(dá)20倍。肌動(dòng)蛋白聚合分為三個(gè)階段,就像微管組裝一樣,這三個(gè)階段分別是成核、生長(zhǎng)和穩(wěn)態(tài)。聚合的程度可由穩(wěn)定狀態(tài)的熒光水平來(lái)表示,加入phalloidin(鬼筆環(huán)肽)可測(cè)量出上限,將CC降至0.01mg/mL以下。這種檢測(cè)方法的準(zhǔn)確率超過(guò)95%,并且在檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)干擾樣品。

 

圖2 通過(guò)芘肌動(dòng)蛋白熒光測(cè)量肌動(dòng)蛋白的聚合情況

 

2)DNase酶抑制法

DNase酶抑制法是基于G-actin與DNase 1之間高親和力的相互作用,從而抑制DNase的活性。這種檢測(cè)方法的大優(yōu)勢(shì)在于它能區(qū)分G-actin和F-actin,因此,它通常被用于選擇性地測(cè)定細(xì)胞提取物中單體和絲狀肌動(dòng)蛋白的量。此外,DNase酶抑制法還可以用于研究從肌動(dòng)蛋白絲生成G-actin的結(jié)合蛋白。

 

3)粘度檢測(cè)法

根據(jù)需要檢測(cè)的聚合物差異性,粘度檢測(cè)法可以分為高剪切或低剪切測(cè)量。如果是想測(cè)量短(1µm)和中(3-5µm)肌動(dòng)蛋白絲之間的微小差異,那么可以選擇高剪切法;如果要確定長(zhǎng)絲樣本的差異,則需要使用低剪切法。雖然粘度檢測(cè)法能很好地比較兩個(gè)樣品之間的細(xì)絲交聯(lián)情況,但最大的缺點(diǎn)是需要儀器設(shè)備、剪切細(xì)絲不太準(zhǔn)確,并且當(dāng)在測(cè)量肌動(dòng)蛋白組裝的方法時(shí)會(huì)干擾反應(yīng)。

 

4)Spin-down實(shí)驗(yàn)

Spin-down檢測(cè)法的原理是利用沉降差異來(lái)分離F-actin和G-actin,由于檢測(cè)時(shí)間有限,這種方法的主要用途是獲得穩(wěn)定狀態(tài)下肌動(dòng)蛋白聚合物的定量值。該方法可與芘結(jié)合熒光法或DNase酶抑制法聯(lián)合使用,以定量測(cè)定反應(yīng)時(shí)間過(guò)程中肌動(dòng)蛋白聚合物的數(shù)量。由于這種方法對(duì)待測(cè)樣品具有破壞性,因此只有在對(duì)樣品進(jìn)行了所有其他測(cè)量方法后才能使用。這種檢測(cè)方法還存在另一個(gè)缺點(diǎn),那就是小的肌動(dòng)蛋白寡聚體不會(huì)沉淀,因此定量值可能會(huì)高于實(shí)際上清液中肌動(dòng)蛋白單體的數(shù)量。

 

至于選擇哪種方法來(lái)檢測(cè)肌動(dòng)蛋白聚合物,則取決于實(shí)驗(yàn)室可用的設(shè)備和所需的靈敏度,也為大家總結(jié)了這四種方法的對(duì)比,供大家參考選擇:

 


檢測(cè)方法

原理

優(yōu)勢(shì)

缺點(diǎn)

芘結(jié)合熒光法

基于聚合過(guò)程中芘結(jié)合肌動(dòng)蛋白的增強(qiáng)熒光

通用性強(qiáng);靈敏度高;易于操作

需要儀器(熒光光度計(jì))

DNase酶抑制法

基于G-actin與DNase 1之間高親和力的相互作用

能夠區(qū)分G-actin和F-actin

結(jié)果重復(fù)性可能會(huì)有10-20%的差異

粘度檢測(cè)法

通過(guò)剪切微絲來(lái)檢測(cè)的聚合物差異性

能很好地比較兩個(gè)樣品之間的細(xì)絲交聯(lián)情況

需要儀器設(shè)備;剪切細(xì)絲不太準(zhǔn)確;有干擾反應(yīng)

Spin-down實(shí)驗(yàn)

利用沉降差異來(lái)分離F-actin和G-actin

可與其它方法聯(lián)合使用;易于操作

對(duì)待測(cè)樣品具有破壞性;定量值不夠準(zhǔn)確


表1 肌動(dòng)蛋白聚合物的檢測(cè)方法對(duì)比

 

2、肌動(dòng)蛋白的染色

 

肌動(dòng)蛋白另一個(gè)重要的研究方案,就是它在細(xì)胞或組織中的熒光成像,最常見(jiàn)熒光染料是鬼筆環(huán)肽偶聯(lián)物(phalloidins)。鬼筆環(huán)肽,又稱鬼筆鵝膏素,最初是從毒蘑菇鬼筆鵝膏(Amanita phalloides)中分離到的一種七肽毒素,以ji高的親和力和特異性結(jié)合F-actin,不會(huì)結(jié)合G-actin。鬼筆環(huán)肽對(duì)大小纖維的親和力相近,在許多不同的動(dòng)植物物種的肌肉和非肌肉細(xì)胞中,基本都按照一個(gè)肌動(dòng)蛋白亞基與一個(gè)鬼筆環(huán)肽分子的化學(xué)計(jì)量比結(jié)合。鬼筆環(huán)肽的非特異性結(jié)合幾乎可忽略,染色和未染色區(qū)域的差異極其明顯。此外,還有上文提到的,鬼筆環(huán)肽使得肌動(dòng)蛋白聚合CC值降至1μg/mL,可用作一種聚合增強(qiáng)劑,產(chǎn)生的復(fù)合物高度穩(wěn)定(解離常數(shù)約3×10–8M),能夠抑制細(xì)胞松弛素、碘化鉀和溫度上升引起的去聚合和去組裝活性。

 

由于熒光標(biāo)記的鬼筆環(huán)肽不具有細(xì)胞透性,因此多用于固定細(xì)胞的肌動(dòng)蛋白染色。帶正電或負(fù)電的熒光染料會(huì)通過(guò)非特異性的離子相互作用與其他蛋白質(zhì)結(jié)合,導(dǎo)致產(chǎn)生更高的背景;Actin-stain系列的鬼筆環(huán)肽熒光探針是非離子型的,因此更有助于獲得理想的低背景結(jié)果。

 

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3、肌動(dòng)蛋白的翻譯后修飾

 

目前,關(guān)于肌動(dòng)蛋白的翻譯后修飾(PTM)研究也越來(lái)越多,PTM是高度動(dòng)態(tài)且通??赡娴倪^(guò)程,其中蛋白質(zhì)的功能特性能夠通過(guò)在其氨基酸殘基上添加化學(xué)基團(tuán)或另一種蛋白質(zhì)而改變。肌動(dòng)蛋白是PTMs的主要底物,它可以經(jīng)歷至少17個(gè)PTMs,包括ADP-ribosylation、arginylation、dimethylation、phosphorylation、oxidation、nitration、O-GlcNAcylation、ubiquitination、SUMOylation、acetylation、carbonylation、isaspartylation、transglutamination、malonylation、glutathionylation、nitrosylation、crosslinking/isopeptide bonding。在研究翻譯修飾后的肌動(dòng)蛋白時(shí),常用到的就是生物素肌動(dòng)蛋白,它是一種具有多種用途的衍生物,可與鏈霉親和素結(jié)合使用,作為細(xì)胞中肌動(dòng)蛋白動(dòng)態(tài)的探針。生物素肌動(dòng)蛋白還可用于體外檢測(cè),標(biāo)記肌動(dòng)蛋白或使用鏈霉親和素磁珠從復(fù)雜的混合物中選擇性地純化肌動(dòng)蛋白。

 

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二、Actin的最新研究進(jìn)展

 

最新研究表明,衰老會(huì)導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白表達(dá)和動(dòng)力學(xué)發(fā)生變化,從而引發(fā)多種與年齡相關(guān)的疾病,包括癌癥、血管疾病和神經(jīng)退行性疾病1。對(duì)酵母的研究發(fā)現(xiàn),肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架對(duì)營(yíng)養(yǎng)代謝甚至決定壽命都至關(guān)重要2

研究表明,隨著年齡的增長(zhǎng),卵母細(xì)胞的數(shù)量和質(zhì)量都會(huì)下降,從35歲到更年期,生育能力會(huì)明顯下降。能量代謝是導(dǎo)致卵母細(xì)胞質(zhì)量下降的機(jī)制之一3,其中肌動(dòng)蛋白對(duì)哺乳動(dòng)物的繁殖至關(guān)重要,肌動(dòng)蛋白動(dòng)力學(xué)的變化會(huì)直接影響與年齡相關(guān)的生育能力和生殖結(jié)果。

 

1、肌動(dòng)蛋白在減數(shù)分裂中的作用

 

哺乳動(dòng)物的單倍體卵子由二倍體卵母細(xì)胞通過(guò)減數(shù)分裂發(fā)育而成,受精后,卵子進(jìn)行第二次染色體分裂,分離姐妹染色單體,染色體和隨后姐妹染色單體的分離取決于紡錘體的功能。紡錘體由微管組成,而微管由微管蛋白亞基構(gòu)成。紡錘體微管負(fù)責(zé)染色體排列,以促進(jìn)分裂。最近的研究表明,除微管蛋白外,紡錘體肌動(dòng)蛋白對(duì)紡錘體的正常功能也至關(guān)重要4。紡錘體肌動(dòng)蛋白有助于將微管捆綁成功能性k纖維,而紡錘體肌動(dòng)蛋白缺失則會(huì)導(dǎo)致k纖維穩(wěn)定性降低和染色體分離錯(cuò)誤5。除了紡錘體的功能外,肌動(dòng)蛋白的動(dòng)力學(xué)對(duì)細(xì)胞分裂也至關(guān)重要,因?yàn)榧?dòng)蛋白會(huì)形成一個(gè)收縮環(huán),將新形成的子細(xì)胞分開(kāi)。減數(shù)分裂和受精之后,新形成的胚胎進(jìn)行有絲分裂,細(xì)胞有絲分裂所需的紡錘體微管與減數(shù)分裂紡錘體微管的不同之處在于,它是從中心體上成核的。因此,肌動(dòng)蛋白還參與了有絲分裂,而不僅僅局限于減數(shù)分裂,這凸顯了肌動(dòng)蛋白在胚胎發(fā)育過(guò)程中的重要性6

 

2、與年齡相關(guān)非整倍體的肌動(dòng)蛋白動(dòng)力學(xué)

 

在分離之前,同源染色體通過(guò)黏連蛋白固定在一起,與此同時(shí),姐妹染色單體在其中心粒上仍被黏連蛋白結(jié)合。在減數(shù)第一次分裂過(guò)程中,同源染色體之間的黏連蛋白被裂解,但姐妹染色單體之間的黏連蛋白受到保護(hù)。姐妹染色單體的過(guò)早分離會(huì)導(dǎo)致染色體分離錯(cuò)誤,造成卵子中染色體數(shù)目不正確,從而產(chǎn)生非整倍體7

 

在人類中,最常見(jiàn)的非整倍體導(dǎo)致的疾病是三體綜合征,比如21-三體綜合征(也叫唐氏綜合征)和克氏綜合征(47,XXY)。在高齡產(chǎn)婦中,非整倍體的發(fā)生率較高,造成這一現(xiàn)象的可能原因是衰老卵母細(xì)胞中黏連蛋白的耗竭8。然而,Dunkley和Mogessie認(rèn)為,僅靠黏連蛋白的耗竭并不能wan全解釋非整倍體迅速增加的原因,就在去年,他們的研究揭示了肌動(dòng)蛋白能夠有效降低與年齡相關(guān)的卵子非整倍體的發(fā)生9。結(jié)果表明,F(xiàn)-actin負(fù)責(zé)在衰老卵子的黏連蛋白耗竭后維持姐妹染色單體的結(jié)合,此外,破壞年輕卵子中的F-actin會(huì)導(dǎo)致與衰老卵子類似的染色體過(guò)早分離。為了證實(shí)這一作用,他們還發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的F-actin可減少衰老卵子中染色體的過(guò)早分離,更重要的是,這些結(jié)果都有依賴于肌動(dòng)蛋白的動(dòng)力學(xué)。作者推測(cè),F(xiàn)-actin可能抵消了紡錘體微管的拉力。

 

圖3 破壞F-actin會(huì)加速幼卵中類似衰老的染色體過(guò)早分離(Dunkley et al. 2023)

 

3、衰老表觀基因組和肌動(dòng)蛋白動(dòng)力學(xué)

 

表觀遺傳變化是指在不改變基因本身的情況下導(dǎo)致基因表達(dá)發(fā)生變化的修飾,這些改變包括甲基化、乙?;?、磷酸化和Sumo化,可在DNA、RNA和組蛋白上被發(fā)現(xiàn)10。DNA甲基化是衰老的一種生物標(biāo)志物,能夠確定組織在整個(gè)生命周期中的年齡11

 

白藜蘆醇(resveratrol)是一種存在于葡萄皮和紅葡萄酒中的多酚,一直以來(lái)都被認(rèn)為是抗衰老劑和對(duì)多種疾病有益的補(bǔ)充劑12。根據(jù)臨床前的動(dòng)物研究,白藜蘆醇能夠改善生殖衰老13-14。一些研究強(qiáng)調(diào),人類的生育能力仍存在很多未知數(shù)15,并且白藜蘆醇在生殖衰老中的作用機(jī)制仍不甚明了。

 

最近,白藜蘆醇能改善雌性小鼠生殖能力的機(jī)制終于被證實(shí)了,它能逆轉(zhuǎn)與衰老相關(guān)的基因表達(dá)變化,并減少衰老卵母細(xì)胞的整體甲基化16。在比較年輕小鼠、中年小鼠和老年小鼠的卵母細(xì)胞時(shí),作者發(fā)現(xiàn)了許多差異表達(dá)的基因,主要是許多參與肌動(dòng)蛋白動(dòng)力學(xué)過(guò)程的基因表達(dá)下調(diào)。白藜蘆醇逆轉(zhuǎn)了衰老卵母細(xì)胞的這種效應(yīng),消除了肌動(dòng)蛋白相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化,并恢復(fù)了它們的表達(dá)。

 

綜上所述,在卵子形成和胚胎發(fā)育過(guò)程中,肌動(dòng)蛋白對(duì)正常的減數(shù)分裂和有絲分裂至關(guān)重要。此外,有跡象表明肌動(dòng)蛋白直接參與染色質(zhì)重塑17,這一點(diǎn)仍有待在生殖衰老的背景下進(jìn)行探索。

 

參考文獻(xiàn):

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