Actin甲硫氨酸氧化:动力学调节的下一个层次

 

肌动蛋白PTM背景

 

肌动蛋白是一种充分表征,表达丰富且必需的细胞骨架蛋白。其动态特性使其能够在单体(G-肌动蛋白)和聚合物(F-肌动蛋白)状态之间转换,这对许多细胞过程至关重要。肌动蛋白的动态性和功能受诸多内部和外部信号的调节,这些信号由肌动蛋白结合蛋白(ABP),信号转导物等调节。除此之外,越来越多的研究显示,肌动蛋白受到高度翻译后修饰(PTM),对肌动蛋白特定PTM的深入研究,详细阐明了它们对肌动蛋白动力学,ABP间的相互作用等的影响1,2。目前科研工作者们已经研究了肌动蛋白N-末端乙酰化,赖氨酸乙酰化,精氨酸化,SUMO化和泛素化。本资讯主要总结了目前关于肌动蛋白上甲硫氨酸(Met)44和Met47位点氧化的相关研究。

 

肌动蛋白PTM

图1. 肌动蛋白结合蛋白(ABP)种类及其功能

 

Actin氧化:聚焦甲硫氨酸亚砜(MetO)

 

氧化领域的研究一般集中在由天然的氧化剂(如H 2 O 2)诱导的病理氧化(氧化应激),最初人们认为氧化是“有毒的”,而目前诸多研究表明氧化是很多病理和生理事件间的信号通路开关。3 蛋白质中许多氨基酸残基特别是含硫氨基酸如半胱氨酸(Cys)和甲硫氨酸(Met)极易被生物体内的活性氧(ROS)氧化。

 

肌动蛋白的氧化便是如此,早期关于肌动蛋白氧化的研究多数都是利用H 2 O 2进行处理, 以F-actin含量和聚合活性(如滞后时间缩短和延长,聚合速率快慢和聚合程度高低)的变化来定义 4-6。进一步的研究表明,体外H 2 O 2诱导的肌动蛋白氧化最初位点是Cys374,同时还有几个甲硫氨酸,包括Met44,Met47,Met176,Met190,Met269和Met355  7

 

甲硫氨酸易被细胞内外活性氧成分氧化生成R型和S型两种差向异构体的甲硫氨酸亚砜(MetO),导致许多蛋白的活性和结构发生改变,然而,Manta和Gladsyshev认为相对于甲硫氨酸亚砜还原酶(如MsrA) 8介导的酶促氧化而言,体内活性氧诱导的MetO形成非常低效。但当时,肌动蛋白的甲硫氨酸残基是否可以在体内发生酶促氧化的问题还没有答案,Terman小组的一项开创性研究阐明了MICAL(与CasL相互作用的分子)在体外介导肌动蛋白Met44和Met47氧化中的作用9。这些体外研究表明,Met44处的MetO显著促进长肌丝的切割以及抑制Actin聚合反应。另外,肌动蛋白MetO的错误调节对形态学产生了显著的影响,果蝇体内MICAL的过表达导致刷毛发生变形,但是用M44L肌动蛋白突变体变形会恢复,因此确定其在体内的作用9,10 最近的一项研究表明这种机制对于胞质分裂的最后步骤中肌动蛋白解聚至关重要,确定了MICAL-1氧化F-actin的生理作用11

 

肌动蛋白Met44和Met47生理氧化还原系统

图2.肌动蛋白Met44和Met47生理氧化还原系统

 

肌动蛋白氧化的调节机制

 

MICAL是一种从昆虫到哺乳动物保守表达的细胞内黄素蛋白单加氧酶 12哺乳动物中有三个MICAL家族成员,它们都可以氧化Actin,但具有不同的动力学和空间定位13。Terman的研究小组表明,MICAL与肌动蛋白相互作用,并利用NADPH作为辅助因子在Met44和Met47处氧化肌动蛋白9。Met44残基位于肌动蛋白亚结构域2的D环中 14。当发生氧化时,Met44会带上负电荷,干扰Actin单体间的相互作用,通过这种方式,促进F-肌动蛋白切割和解聚。

 

最近的研究发现,MICAL介导形成的肌动蛋白MetO会被甲硫氨酸亚砜还原酶(MSR)逆转(MSR主要有两种类型,MSRA和MSRB,分别特异性作用于S-和R-型MetO异构体),研究结果显示SelR(MsrB)酶具有抑制Met44和Met47位点氧化以及恢复正常肌动蛋白动力学的作用15,16,SelR / MsrB会选择性地减少了MICAL-氧化的肌动蛋白,而MsrA却不会,由于SelR / MsrB特异性地还原了R-型MetO异构体而MsrA特异性地还原了S-型MetO异构体MetO,因此该小组得出结论:MICAL特异性氧化肌动蛋白与MetO R-异构体。

 

总的来说,这些研究结果阐述了一种可逆的特异性氧化还原系统,通过调节肌动蛋白的特定的MetO来控制肌动蛋白动力学和细胞骨架网络。

 

肌动蛋白氧化生理学

 

由于MICALs在生物体内普遍表达并且肌动蛋白的Met44和Met47残基高度保守,因此这种氧化还原调节机制可能对所有组织和细胞类型中的肌动蛋白功能调节起重要作用。一些研究强调MICAL蛋白在一系列组织和生物体中发挥生理和病理作用; 然而,这些影响是否通过肌动蛋白依赖性调节得到促进尚未得到彻底调查17

 

总结和未来方向

 

毫无疑问,这些研究通过鉴定这种新型可逆氧化还原调节机制,为推进肌动蛋白PTM领域奠定了重要基础。最近的研究表明,肌动蛋白的MICAL调节可能对许多肌动蛋白依赖性细胞过程非常重要,人们急需阐明这种氧化还原机制在肌动蛋白生物学中的普遍性。沿着同样的思路,确定肌动蛋白的ABP调节如何与肌动蛋白MetO等关键PTM协同作用将非常有趣。最近的一项研究表明Actin氧化和Cofilin协同分解肌动蛋白21,为证实ABP和肌动蛋白PTM相互作用的存在提供了明确的证据。由于研究者破译了MICAL氧化肌动蛋白在疾病中的作用,因此进一步确定ROS与酶肌动蛋白MetO的相互作用将是一个很有趣的研究方向。使用有用的MetO肌动蛋白工具来解决这些类型的问题无疑将有助于研究人员更好地了解肌动蛋白生物学领域,以及MetO肌动蛋白是否在他们的研究模型中发挥作用。

 

在这里,艾美捷科技为您提供Cytoskeleton公司研发的各种MICAL氧化(MOX)肌动蛋白及相关工具,以帮助研究人员对这种新的肌动蛋白调节机制进行研究,方便他们更好地对肌动蛋白调节领域进行深入研究。

 

Actin蛋白(包含正常形式和MICAL-氧化形式): 

 

产品名称 货号
肌动蛋白(芘标记):兔骨骼肌 (Cat#AP05)
99%):兔骨骼肌(Cat。#AKL99)" >肌动蛋白(纯度> 99%):兔骨骼肌 (Cat#AKL99)
MICAL-氧化(芘标记)肌动蛋白(> 95%纯度):兔骨骼肌 (Cat#MXAP95)
MICAL-氧化肌动蛋白(纯度> 95%):兔骨骼肌 (Cat#MXA95)
MICAL-1蛋白6xHis (Cat#MIC01)
MsrB2蛋白 6xHis (Cat#MB201)

 

Actin生化试剂盒

 

产品名称 货号
肌动蛋白结合蛋白 Spin-Down生化检测试剂盒(兔骨骼肌actin) (Cat. # BK001)
肌动蛋白结合蛋白 Spin-Down生化检测试剂盒(人血小板actin) (Cat. # BK013)
Actin聚合生化检测试剂盒(荧光法:兔骨骼肌actin) (Cat. # BK003)
G-Actin/F-actin In Vivo生化检测试剂盒 (Cat. # BK037)

 

参考文献:

 

  1. Varland S. et al. 2019. Actin post-translational modifications: The Cinderella of cytoskeletal control. Trends Biochem. Sci. DOI: 10.1016/j.tibs.2018.11.010.
  2. Terman J.R. and Kashina A. 2013. Post-translational modification and regulation of actin. Curr. Opin. Cell Biol. 25, 30-38.
  3. Wilson C. and Gonzalez-Billault C. 2015. Regulation of cytoskeletal dynamics by redox signaling and oxidative stress: implications for neuronal development and trafficking. Front. Cell Neurosci. 9, 381.
  4. Hinshaw D.B. et al. 1986. Cytoskeletal and morphologic impact of cellular oxidant injury. Am. J. Pathol. 123, 454-464.
  5. DalleDonne I. et al. 1995. H2O2-treated actin: assembly and polymer interactions with cross-linking proteins. Biophys. J. 69, 2710-2719.
  6. Lassing I. et al. 2007. Molecular and structural basis for redox regulation of beta-actin. J. Mol. Biol. 370, 331-348.
  7. Milzani A. et al. 2000. The oxidation produced by hydrogen peroxide on Ca-ATP-G-actin. Protein Sci. 9, 1774-1782.
  8. Manta B. and Gladyshev V.N. 2017. Regulated methionine oxidation by monooxygenases. Free Rad. Biol. Med. 109, 141-155.
  9. Hung R.J. et al. 2011. Direct redox regulation of F-actin assembly and disassembly by Mical. Science. 334, 1710-1713.
  10. Hung R.J. et al. 2010. Mical links semaphorins to F-actin disassembly. Nature. 463, 823-827.
  11. Fremont S. et al. 2017. Oxidation of F-actin controls the terminal steps of cytokinesis. Nat. Commun. 8, 14528.
  12. Terman J.R. et al. 2002. MICALs, a family of conserved flavoprotein oxidoreductases, function in plexin-mediated axonal repulsion. Cell. 109, 887-900.
  13. Wu H. et al. 2018. The MICALs are a family of F-actin dismantling oxidoreductases conserved from Drosophila to humans. Sci. Rep. 8, 937.
  14. Grintsevich E.E. et al. 2017. Catastrophic disassembly of actin filaments via Mical-mediated oxidation. Nat. Commun. 8, 2183.
  15. Lee B.C. et al. 2013. MsrB1 and MICALs regulate actin assembly and macrophage function via reversible stereoselective methionine oxidation. Mol Cell. 51, 397-404.
  16. Hung R.J. et al. 2013. SelR reverses Mical-mediated oxidation of actin to regulate F-actin dynamics. Nat. Cell Biol. 15, 1445-1454.
  17. Wilson C. et al. 2016. Actin filaments-A target for redox regulation. Cytoskeleton (Hoboken). 73, 577-595.
  18. Lundquist M.R. et al. 2014. Redox modification of nuclear actin by MICAL-2 regulates SRF signaling. Cell. 156, 563-576.
  19. Yoon J. et al. 2017. Amplification of F-Actin disassembly and cellular repulsion by growth factor signaling. Dev. Cell. 42, 117-129.
  20. Van Battum E.Y. et al. 2014. The intracellular redox protein MICAL-1 regulates the development of hippocampal mossy fibre connections. Nat. Commun. 5, 4317.
  21. Grintsevich E.E. et al. 2016. F-actin dismantling through a redox-driven synergy between Mical and cofilin. Nat. Cell Biol. 18, 876-885.

 

 Cytoskeleton公司成立于1993年,专注于生物化学和细胞过程研究中的纯化蛋白和便捷试剂盒开发与生产。公司提供药物筛选、信号转导、蛋白质转录后修饰(PTM)、细胞骨架研究相关的系列试剂盒和产品,尤其以细胞骨架相关研究见长,既能满足于样品较少的科学研究,也可以用于小规模筛选研究和高通量大规模筛选研究。此外,公司还提供微管蛋白,肌动蛋白,小G蛋白,GAPs,GEFs等现有产品的药物筛选服务。

 

作为Cytoskeleton在中国的区代理,艾美捷科技有限公司将为中国客户提供最全面的Cytoskeleton产品与服务。

 

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