Navnet tubulin refererer til en familie på 55 Kdalton kuleproteiner . Tubulinfamilien består av alfa (α), beta (β) og gamma (γ) tubuliner, som deler 35-40% identitet mellom aminosyrekjedene , selv om deres likhet med andre kjente proteiner er minimal. . [ 1 ] α- og β-tubuliner er de essensielle underenhetene til mikrotubuli, mens γ-tubulin er en grunnleggende komponent i sentrosomet . Det er også andre mindre varianter, som ikke finnes i alle eukaryote organismer, kalt tubulin-delta (δ), -epsilon (ε) og -zeta (ζ). [ 2 ]
Tubulin kalles vanligvis en heterodimer som består av to underenheter (α og β) som, når de er satt sammen på en svært organisert måte, genererer en av hovedkomponentene i cytoskjelettet , mikrotubuli . Alle eukaryote celler har mikrotubuli, noe som indikerer at underenhetene som utgjør dem sannsynligvis oppsto da eukaryoter først dukket opp, for rundt 1,5 milliarder år siden. Det er sannsynlig at andre mikrotubuli-assosierende proteiner også stammer fra eukaryotisk opprinnelse, for eksempel noen medlemmer av kinesin- og dynein -familiene , selv om andre er av nyere opprinnelse, for eksempel det nevronspesifikke proteinet tau .
Siden tubulinfamiliens proteiner er av veldig gammel opprinnelse, kan sekvensene deres forventes å avvike sterkt. Dette er imidlertid bare sant for C-terminalen til α- og β-tubuliner. De N-terminale fragmentene er bemerkelsesverdig konserverte med minimale variasjoner. Denne høye graden av bevaring er sikkert pålagt av de strukturelle begrensningene ved montering og demontering av mikrotubuli (MT), sammen med begrensningene som pålegges av assosiasjonen av proteiner som kinesiner og dyneiner. [ 3 ] Individuelle medlemmer av tubulinfamilien av de forskjellige fylogenetiske ordene har utviklet seg eksepsjonelt sakte, med en hastighet som kan sammenlignes med histoner eller aktin . [ 4 ] Den høye bevaringsgraden innenfor tubulinfamilien innebærer at de funksjonelle egenskapene til disse proteinene setter enorme begrensninger på enhver sekvensdiversifisering, slik at mutasjoner bare kan romme seg selv på noen få posisjoner uten å gi en forstyrrelse. På den annen side vil en konservert modifikasjon sannsynligvis være funksjonelt fordelaktig, og dermed sannsynligvis være relatert til spesifikke egenskaper til tubuliner i forskjellige rekkefølger.
Protein-protein-interaksjoner mellom mikrotubuli-underenheter utgjør en innsnevring av den tertiære strukturen til α- og β-tubuliner. Tradisjonelle elektronmikroskopistudier ved bruk av glutaraldehydfikserte celler fastslo at en MT normalt er sammensatt av 13 justerte tubulinprotofilamenter. [ 5 ] Selv om varianter av denne strukturen er identifisert, ser antallet protofilamenter in vivo ut til å variere mellom 12 og 15. [ 6 ] Protofilamentet består av forskjøvede kuleenheter, med dimensjoner på omtrent 50 x 50 x 40 Å, med en repeterende enhet langs den langsgående aksen til protofilamentet på omtrent 80 Å.
Disse dimensjonene er kompatible med en 50 kD tubulinmonomer som danner α/β-heterodimerer, som utgjør 80 Å-enheten. Siden protofilamenter danner grunnlaget for MT-montering, vil langsgående interaksjoner mellom heterodimerer sannsynligvis være mer stabile enn laterale interaksjoner mellom protofilamenter.
Heterodimerer settes sammen til protofilamenter på en slik måte at β-tubulin fra en dimer kommer i kontakt med α-tubulin fra den neste dimeren. Derfor er MT-er iboende polare, og har α-tubulin i den ene enden av polymeren ("minus"-enden) og β-tubulin i den andre ("pluss-enden). De 13 protofilamentene som utgjør en MT er arrangert side om side slik at hvis man følger α- eller β-underenhetene sideveis rundt MT, ser man at de danner en helix med tre underenheter. Dette betyr at helixen går gjennom 3 underenheter for å fullføre en omgang. Denne typen helix er ikke perfekt symmetrisk, noe som resulterer i en "skjøt" i MT-veggen der hver helix fullfører en omgang. Protofilamentene samhandler med hverandre lateralt, primært gjennom α–α og β–β kontakter, selv om α-tubulin kontakter β-tubulin i krysset. [ 7 ] [ 8 ]
Tubulin-dimeren binder 2 mol/mol av guanosin -nukleotidet : det ene er på et utskiftbart sted, mens det andre er ikke-utskiftbart. Tubulin renset fra nevroner inneholder 1 mol/mol av både GTP og GDP, med GDP bundet til utvekslingsstedet. Det utskiftbare stedet er lokalisert på β-underenheten, og den ikke-utskiftbare GTP-en ser ut til å være bundet til α-underenheten. [ 9 ] Sammenstillingen av MT-er er, under nesten alle forhold, avhengig av GTP eller en ikke-hydrolyserbar analog av GTP, bundet til utvekslingsstedet. Dette GTP-molekylet hydrolyseres videre til BNP, som forblir bundet til den sammensatte MT-en og bare kan byttes ut når MT-en demonteres. Denne endringen i utvekslingskapasitet kan skyldes pakking av underenhetene i den sammensatte MT eller en monteringsavhengig konformasjonsendring. [ 10 ]
In vitro polymeriserer MT-er spontant fra høye konsentrasjoner av α- og β-tubulin, i nærvær av GTP og Mg2+. Polymerisasjonsprosessen skjer i to trinn: "kjernedannelse", som er det begrensende trinnet, etterfulgt av rask forlengelse. [ 11 ] Nukleeringstrinnet antas å involvere dannelsen av et par korte protofilamenter, som vil bestå av 7, 12 eller 18 α/β tubulin-dimerer. Når denne kjernen har dannet seg, vokser den raskt sideveis og langsgående som et ark, inntil ca. 1000 dimerer har samlet seg; i det øyeblikket lukker arket seg for å danne en sylinder. Belegg kan også sees i de voksende endene av forhåndsformede MT-er, noe som antyder at MT-ene er todimensjonale polymerer, og ikke en spiralformet polymer, i deres forlengelsesmodus. [ 12 ] Det antas at MT-er samles på samme måte in vivo, selv om konsentrasjonen av α/β-tubulin i cellene er under nivået som kreves for spontan kjernedannelse observert in vitro, for derfor blir prosessen katalysert av MT-organiseringssentre (COMTs, på engelsk MTOCs), slik som sentrosomene i dyreceller og spindelens polare kropp i gjær. Behovet for MTOC-er in vivo gjør at cellen kan kontrollere når og hvor MT-kjernedannelse skjer. En stor mengde bevis (genetiske eksperimenter, antistoffhemmingsstudier, in vitro komplementeringsanalyser og fluorescens- og elektronmikroskopi ) impliserer γ-tubulin som nøkkelproteinet som er ansvarlig for MT-kjernedannelse in vivo. [ 13 ]
Tubulin-"overfamilien" inneholder seks familier: alfa (α), beta (β), gamma (γ), delta (δ), epsilon (ε) og zeta (ζ).
Humane α-tubulin undertyper inkluderer:
Dette proteinet er svært konservert, og er omtrent 30% identisk med α- og β-tubuliner, men setter seg ikke sammen i den polymere strukturen til MT-er. Selv om aktiviteten er konsentrert i MTOC-ene, finnes det meste av γ-tubulin i cytosolen . Cytosolisk γ-tubulin finnes hovedsakelig i to komplekser: [ 14 ] det større γ-tubulin ringkomplekset (referert til som γTuRC ) og det mindre γ-tubulin ringkomplekset (referert til som TuRC ) . γTuSC , for γ-tubulin lite kompleks ), som er en underenhet av γTuRC og er analog med Tub4-komplekset fra Saccharomyces cerevisiae .
γTuRC-komplekset ble opprinnelig isolert fra Xenopus- egg og Drosophila - celler . Den består av omtrent 10–14 γ-tubulinmolekyler og minst seks ekstra proteiner, som genererer et kompleks på omtrent 2 MDa. Dette komplekset er godt bevart, ettersom lignende komplekser er blitt identifisert i pattedyrceller. Fra elektronmikroskopibilder har det blitt observert at γTuRC-komplekset har en åpen og fleksibel ringstruktur, rundt 25 nm i diameter. [ 15 ] Basert på strukturen ser det ut til at dette komplekset fungerer som en mal, som MT-er vokser ut fra. Siden cellulære MT-er normalt inneholder 13 protofilamenter, foreslår modellen at γTuRC inneholder 13 lateralt interagerende γ-tubulinenheter. Data fra flere studier tyder imidlertid på at γTuRC-komplekset er satt sammen fra forhåndsformede γTuSC-er, som inneholder to kopier av γ-tubulin og en kopi hver av de homologe S. cerevisiae-proteinene Spc97 og Spc98. Dette innebærer at γTuRC-komplekset må inneholde et jevnt antall γ-tubulin, i stedet for 13 som opprinnelig foreslått. Det har blitt foreslått at γTuRC-komponentene som ikke er en del av γTuSC danner en "hette" (hette) som dekker "minus"-enden av MT-ene, som kan regulere deres aktivitet, gi stabilitet til helixen og/eller forankre γTuRC til sentrosomet.