Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Состав и свойства тонких нитей запирательных мышц мидии Crenomytilus Grayanus

ВАК РФ 03.03.04, Клеточная биология, цитология, гистология

Автореферат диссертации по теме "Состав и свойства тонких нитей запирательных мышц мидии Crenomytilus Grayanus"

На правах рукописи

-Ш

ДОБРЖАНСКАЯ Анна Валерьевна

СОСТАВ И СВОЙСТВА ТОНКИХ НИТЕЙ ЗАПИРАТЕЛЬНЫХ МЫШЦ МИДИИ СЯЕМОМУТИ. иЯ СВЛУАтЯ

03.03.04 — клеточная биология, цитология, гистология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владивосток — 2013

5 ДЕК 2013

005542612

Работа выполнена в лаборатории биофизики клетки Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

Шелудько Николай Семёнович, доктор биологических наук, старший научный сотрудник. Официальные оппоненты:

Жадан Пётр Михайлович, доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией.

Ламаш Нина Евгеньевна, доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского, старший научный сотрудник.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии Российской академии наук.

Защита диссертации состоится декабря 2013 г. в fQ часов на заседании

диссертационного совета Д 005.008.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук (690041, Владивосток, ул. Пальчевского, д. 17). Факс: (423) 2310-900, электронный адрес: inmarbio@mail.primorye.ru

Отзывы просим присылать нае-таИ: mvaschenko@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан " 1 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

М.А. Ващенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Тонкие (актиновые) нити являются не только партнером толстых нитей в мышечных клетках, но и составляют главный компонент цитоскелета как в немышечных, так и в мышечных клетках. В гладкомышечных клетках позвоночных выделяют сократительный и цитоскелетный домены, которые различаются наличием миозиновых нитей в сократительном домене и составом актин-связывающих белков. Например, актин-связывающий белок кальдесмон, придающий Са2+-чувствительность тонким нитям, локализован только в сократительном домене в то время, как локализация кальпонина, актин-связывающего белка с неизвестной функцией, зависит от состояния мышечной клетки: при возбуждении клетки он мигрирует в цитоскелетный домен (Parker, 1994).

Тонкие нити мышц беспозвоночных практически не исследованы даже в случае мышц двустворчатых моллюсков, гладкие мышцы которых могут находиться не в двух, а в трех состояниях: расслабленном, сокращенном и запирательном. В запирательном состоянии мышца способна поддерживать длительное время створки животных в закрытом состоянии без признаков утомления. Это явление (catch) описано более 100 лет назад, однако его механизм остается неизвестным. Общепринято, что запирательный тонус в этих мышцах обеспечивают пассивные сшивки между толстыми и тонкими нитями. На роль сшивок был предложен парамиозин (Riiegg, 1958), миозин (Lovy, Millman, 1959) и твитчин (Shelud'ko et al., 2004). Образование in vitro твитчиновой сшивки регулируется как со стороны твитчина, так и со стороны тонких нитей с участием тропомиозина и миозина (Shelud'ko et al., 2004; Borovikov et al., 2010). По всей вероятности, роль тонких нитей в запирательном тонусе мышц моллюсков не является пассивной.

В данной работе мы разработали метод выделения тонких нитей из гладких мышц мидии Crenomytihis grayanus, исследовали их свойства и белковый состав и идентифицировали ряд новых белковых компонентов. Среди идентифицированных белков оказался кальпониноподобный белок, который характерен для немышечных и гладкомышечных клеток. Мы показали, что кальпонин мидии входит в состав изолированных тонких нитей, занимая в количественном отношении третье место после актина и тропомиозина. Вопреки литературным данным мы не обнаружили ни в составе тонких нитей, ни в составе мышц мидии белок кальдесмон, который, как предполагалось, определяет Са2+-чувствительность тонких нитей в мышцах двустворчатых моллюсков (Bennett, Marston, 1990). Мы также показали, что кальпонин не может быть заменой кальдесмону поскольку избирательное удаление кальпонина из тонких нитей мидии не приводит к потере их Са2+-чувствительности. Похоже, Са2+-регуляторная система в гладких мышцах двустворчатых моллюсков, отличается от таковой в гладких мышцах позвоночных.

Кальпонин мидии был выделен из тонких нитей без использования тепловой обработки. Показано его взаимодействие с актинами мидии и кролика и его способность ингибировать актин-миозиновое взаимодействия в синтетических моделях, содержащих как миозин мидии, так и миозин кролика. Свойства кальпонина мидии качественно совпадают со свойствами кальпонина гладких мышц позвоночных животных, однако его сродство к актину и степень влияния на актин-миозиновое взаимодействие зависит от происхождения актина и миозина.

Интересно, что минимальное ингибирование (=25%) актин-миозинового взаимодействия кальпонином мидии наблюдается в случае чисто мидийной модели, в то время как гибридные модели, содержащие миозин кролика, демонстрируют существенно большее ингибирование (более 80%).

Показана хорошо выраженная способность кальпонина мидии агрегировать нити актина. Мы полагаем, что способность кальпонина «сшивать» актиновые нити, ужесточая цитоскелет, может быть «цитоскелетным вкладом» кальпонина в запирательное сокращение.

Цели и задачи исследования

Целью работы было выяснение роли тонких нитей гладких мышц двустворчатых моллюсков в запирательном тонусе.

Были поставлены следующие задачи:

1. Разработать метод получения изолированных тонких нитей гладких мышц

двустворчатых моллюсков на примере мышц мидии CrenomytUus grayanus.

2. Выяснить белковый состав изолированных тонких нитей.

3. Идентифицировать белковые компоненты в составе тонких нитей.

Научная новизна

Разработан принципиально новый метод получения Са2+-регулируемых тонких нитей из гладких мышц двустворчатых моллюсков. Предлагаемый метод позволяет получать изолированные тонкие нити с хорошо воспроизводимым белковым составом и высоким выходом. Впервые показано присутствие кальпонина в тонких нитях из мышцы беспозвоночного животного. Впервые детально исследованы физико-химические свойства кальпонина беспозвоночного животного. Обнаружена сильная зависимость взаимодействия кальпонина с тонкими нитями от условий среды: температуры, ионной силы и рН. Например, понижение температуры с 22°С до 2°С приводит к полной диссоциации кальпонина при сохранении всех остальных белков в составе тонких нитей и сохранении Са -регуляции тонких нитей. Са2+-регуляция тонких нитей мидии не является ни кальдесмоновой, как это предполагалось ранее (Bennett, Marston, 1990), ни кальпониновой.

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученные результаты расширяют и конкретизируют наши представления о механизмах функционирования запирательных мышц. Они имеют фундаментальное значение для понимания роли тонких нитей гладких мышц двустворчатых моллюсков в запирательном тонусе этих мышц. Практическая значимость работы связана с разработкой принципиально нового метода выделения нативных тонких нитей из мышц моллюсков.

Апробация результатов и публикации

Основные результаты диссертационной работы были представлены на Международных симпозиумах «Биологическая подвижность» (Пущино, 2006, 2010, 2012), Конференции студентов, аспирантов и молодых учёных НОЦ ДВГУ (Владивосток, 2006), XII Всероссийской молодёжной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии (Владивосток, 2009), Ежегодных научных конференциях Института биологии моря им. А.В. Жирмунского (Владивосток, 2010, 2011, 2012), Международной конференции Азиатско-тихоокеанской белковой ассоциации (Шанхай, Китай, 2011), 40-ой Европейской мышечной конференции (Берлин,

Германия, 2011), Международной Путинской школе-конференции молодых учёных (Пущино, 2012).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в журналах, индексируемых в международных системах цитирования.

Личный вклад соискателя

Экспериментальная часть работы была выполнена соискателем самостоятельно, за исключением масс-спектрометрии, проведённой в НИИ Физико-химической медицины Росздрава, и экспериментов на теневых волокнах, выполненных в лаборатории молекулярных основ клеточной подвижности Института цитологии РАН. Соискатель непосредственно участвовал в анализе и интерпретации полученных результатов, в представлении результатов на конференциях и подготовке публикаций по результатам исследований.

Структура н объём работы

Диссертация изложена на 103 страницах, состоит из «Введения», глав «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты» и «Обсуждение результатов», выводов и списка цитируемой литературы, включающего 211 ссылок, из них 199 на иностранных языках. Рукопись содержит 20 рисунков и 2 таблицы.

Финансовая поддержка работы

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология», Российского фонда фундаментальных исследований (грант К» 12-04-33076) и Конкурса проектов ДВО РАН (проекты № 10-III-B-06-040, № 11-III-B-06-107, № 12-III-B-06-095).

Благодарности

Автор выражает признательность сотрудникам лаборатории биофизики клетки Института биологии моря за постоянную помощь на всех этапах исследования. Автор благодарит д.б.н. Ю.С. Боровикова и сотрудников лаборатории молекулярных основ клеточной подвижности Института цитологии РАН за участие в совместной работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы н методы исследования

Получение белковых препаратов

Миозин, «природный» Ф-актин и тропомиозин моллюсков выделяли из заднего аддуктора мидии Crenomytilus grayanus ранее описанными методами (Shelud'ko et al., 2001, 2004b, 2007).

Изолированные тонкие нити получали из свежих гладких мышц мидии Crenomytilus grayanus без предварительной отмывки (Dobrzhanskaya et al., 2013). Кальпонин мидии получали из изолированных тонких нитей посредством избирательной экстракции при 2°С (Добржанская и др., 2010).

Экстракты термостабильных белков гладких мышц цыпленка и мидии получали общепринятым методом (Bretscher, 1984).

Скелетный мышечный миозин получали из поперечно-полосатых мышц спины и задних конечностей кролика (Margossian, Lovey, 1982). Для получения актина использовали мышечный остаток после экстракции миозина (Shelud'ko et al., 2007).

Чистоту и состав белковых препаратов оценивали с помощью электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН) (Laemmli, 1970) с рядом модификаций (Шелудько, 1975; Shelud'ko et al., 1999).

Концентрацию белков определяли методом биуретовой реакции с модификациями (Пермякова, 1997).

Mg-АТФазную активность определяли измерением неорганического фосфата методом Херса, с некоторыми модификациями (Fiske, Snbbarow, 1925).

Вестерн-блоттинг

Для идентификации белков с помощью специфических антител использовался метод Вестерн-блоттинга. Кальдесмон идентифицировали моноклональными антителами к кальдесмону гладких мышц позвоночных животных (С4562, Sigma или МАВ1684, Chemicon). Идентификацию кальпонина проводили моноклональными антителами к h-кальпонину гладких мышц позвоночных животных (С6047, Sigma).

Матричная лазерная десорбцнонно-ионнзационная времяпролетная тандемная масс-спектрометрия (MALDI/MS-MS)

Масс-спектрометрия была выполнена в НИИ Физико-химической медицины Росздрава. Образцы предварительно подвергались трипсинолизу, а затем смешивались с 2,5-дигидро бензойной кислотой. Поиск белков по набору масс пептидов проводили в программе Mascot v.2.1 (MatrixScience, UK, www.matrixscience.com).

Низкоскоростное и высокоскоростное центрифугирование

Низкоскоростное осаждение использовали для тестирования способности кальпонина мидии взаимодействовать с Ф-актином мидии с образованием крупных агрегатов, осаждаемых при 12 000 g. Высокоскоростное осаждение (110 000 g) использовали для тестирования взаимодействия кальпонина мидии с Ф-актином в условиях отсутствия агрегации нитей. Белки, использовавшиеся в экспериментах, подвергались предварительному осветлению при скорости осаждения.

Денситометрия

Количественные соотношения белков определяли сканированием электрофорезных гелей с последующей обработкой сканированных изображений с помощью программы RFLPscan Plus Version 3.12 (CSPI-Scanalytics, США).

Метод скелетно-мышечных теневых волокон

Эксперименты с использованием метода теневых волокон бы ли проведены совместно с сотрудниками лаборатории молекулярных основ клеточной подвижности Института цитологии РАН с использованием стандартной методики (Borovikov, Gusev, 1983; Боровиков и др., 1988).

Измерение вязкости

Вязкость измеряли при низких градиентах скорости методом «падающего шарика» (Pollard, Cooper, 1982).

РЕЗУЛЬТАТЫ II ОБСУЖДЕНИЕ

1. Тонкие ннти гладких (запнратсльиых) мышц мидии

1.1. Выделение тонких нитей мидии

Стандартным этапом практически любого метода выделения белков является предварительная отмывка тканевого гомогената растворами с физиологическим значением ионной силы для удаления саркоплазматических белков. В случае гомогената скелетных мышц отмывка содержат саркоплазматические белки и не содержат сократительные белки. Однако при выделении «миофибрилл» из двух десятков свежих мышц семи видов двустворчатых моллюсков, включая поперечно-полосатые, косоисчерченные и гладкие мышцы, во всех отмывках были обнаружены актин и тропомиозин (Shelud'ko et al., 1999), которые осаждались ультрацентрифугированием, то есть, входили в состав тонких нитей. Также есть элекгронномикроскопические наблюдения присутствия тонких нитей в отмывках мышц двустворчатых моллюсков (Otani et al., 1983). Эти различия между скелетными мышцами позвоночных и гладкими мышцами моллюсков при отмывках, по-видимому, связаны с различием их Са2+-регуляторных систем (Knox et al., 1986). Наличие двойной регуляции в мышцах моллюсков может приводить к тому, что ригоризация сократительного аппарата при отмывках наступает при меньших концентрациях АТФ. Поэтому в гомогенате свежих мышц моллюсков актомиозин находится в «расслабленном» (диссоциированном) состоянии, что приводит, по нашим наблюдениям, к потере 50-80% тонких нитей. В данной же работе тонкие нити мы выделяли не из отмытого материала, а, наоборот, из отмывки. Предлагаемый метод позволяет получать изолированные тонкие ннти с хорошо воспроизводимым белковым составом и высоким выходом: 17-23 мг на 1 г мышцы. Тогда как существующие на сегодняшний день методы позволяют получать 2-2.5 мг/г тонких нитей из гладких мышц позвоночных (Marston, Smith, 1984) и 0.7-2.5 мг/г в случае гладких мышц моллюсков (Bennett, Marston, 1990).

1.2. Белковый состав топких нитей мидии

К основным компонентам получаемых нами тонких нитей относятся полипептиды актина с молекулярной массой 42 кДа, тропомиозина с молекулярной массой 33 кДа и актин-связывающего белка (actin binding protein) с молекулярной массой 40 кДа (АВР-40) (Рис.1). Остальные полипептиды (около 12-ти) являются минорными и, по данным денситометрии, их количество в сумме не превышает 10%. Эти минорные белки не являются механической примесью в тонких нитях, а входят в их состав, поскольку соосаждаются с тонкими нитями при ультрацентрифугировании (Рис. 1).

При отработке метода выделения тонких нитей из запирательной мышцы мидии мы обнаружили, что содержание компонентов АВР-40 и АВР-34 в тонких нитях непостоянно. Оказалось, что содержание этих полипептидов зависит от температуры осаждения тонких нитей при их получении (рис. 2). При осаждении тонких нитей при 22°С, белки АВР-40 и АВР-34 входят в состав тонких нитей (рис. 2, дорожка 5). При осаждении тонких нитей при 2°С, эти белки остаются в супернатанте (рис. 2, дорожка 2).

^ /-ЛВР-330 Рис. 1. Ключевые этапы выделения тонких нитей

:" «« —\ ЛПР-220 мидии и белковый состав конечного препарата.

Дорожка 1 - экстракт тонких нитей; дорожка 2 -супернатант ультрацентрифугирования экстракта; дорожки

Щ «;;'-АВР-100 3, 4 - осадок ультрацентрифугирования при 22°С (тонкие

нити) при двух нагрузках, 10 и 20 мкл, соответственно. / ЛВР-55 А, актин, АВР, актин-связывающие белки с

—--АВР-50 указанием их молекулярных масс, кДа; ТМ - тропомиозин

V*«* Ш |Ш^АВР-40

» ^-АВР-34

щ,- «м» ®® ' также проверили влияние состава

Их" ^-АВР-30 экстрагирующего раствора, на белковый состав тонких

нитей, учитывая уже выявленную температурную , зависимость. В экстрагирующем растворе мы варьировали

рН, ионную силу и концентрацию АТФ (рис. 3). Данные АВР-20 Рис' 3 свидетельствуют о том, что уменьшение рН среды с §: ^ —^АВР-19 7.0 до 6.0 не сказывается на экстракции основных белков

<Ш Л131'-15 тонких нитей - актина и тропомиозина (рис. ЗА, дорожки 1-

3), но увеличивает содержание белков АВР-40 и АВР-34 в составе тонких нитей даже при температуре осаждения 2°С 1 2 з 4 (рис. ЗА, дорожки 4, 6). Уменьшение ионной силы также

увеличивает содержание белков АВР-40 и АВР-34 в составе тонких нитей при температуре осаждения 2°С (рис. ЗБ, дорожки 4- 9). /с 22'С

Е <! р з р Рнс. 2. Влияние температуры ультраосаждения

тонких нитей на содержании в них компонентов АВР-40 и АВР-34.

Дорожка 1 — экстракт (Е) тонких нитей; дорожка 2 * *"■"* - супернатант (Б) ультрацентрифугирования экстракта

при 2°С; дорожка 3 - осадок (Р) ультрацентрифугирования экстракта (тонкие нити) при 2°С; дорожка 4 - супернатант г- А ультрацентрифугирования экстракта при 22°С;

«г 2= <■» — <нР_авр-40 дорожка 5 - осадок (Р) ультрацентрифугирования .,,.—* ,„. д-апр-34 экстракта (тонкие нити) при 22°С.

™ А, актин; АВР-34, 40, актин связывающие белки с

молекулярной массой 34 и 40 кДа, соответственно; ТМ, тропомиозин.

»■** Таким образом, содержание белков АВР-40 и АВР-

34 в составе тонких нитей зависит не только от

ЭВЙв ^^

^ температуры, но также от рН и ионной силы. В каждом

конкретном случае степень связывания этих белков с актином определяется сочетанием этих параметров.

Э S, 1"С: ТГШ, 2»C S, 22'F THH, 22'C

I-1 I-1 I-1 I I I 1

6.0 «.5 7.0 6.0 6.5 7.0 6.0 6.5 7.0 6.0 6.5 7.0 6.0 6.5 7.0

/—A

. SS ~ » «* 4» „— ЛНР-40

A 4a rn . « «m ^ » — =r— ADP-34

V-TM

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

J S, 2'C TH11,2'C S, 22'C THH. 22"C 1-1 I-1 I- -1 |-1 I---1

30 75 150 30 75 15« 30 75 150 30 75 150 30 75 150 A

на» J ддр ш

Б ч. _ !■„■.„_.«, „„. , «»* „ ABP-34

TM

1 2 3 4 5 6 7 8 8 10 11 12 13 14 15

Э S, 2"C ГНН, 2'C S. 22'C THH, 22'C

I-1 I-1 I-1 I-1 1-1

0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 д

Ы W ~~ *» шm m> w w - ABP-40

В _ „ w , — «» =Г— ABP-34

TM

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 3. Влияние состава экстрагирующего раствора - рН, ионной силы и концентрации АТФ на состав белков тонких нитей при двух температурах осаждения.

(А) рН раствора - 6.0, 6.5, 7.0; 75 мМ КС1. (Б) Ионная сила раствора - 30, 75, 150 мМ КС1; рН - 6.5. (В) Концентрация Mg-АТФ - 0, 1, 5 мМ; рН - 6.5; 75 мМ КС1.

Дорожки 1-3, экстракты тонких нитей; дорожки 4-6, супернатанты осаждения тонких нитей при температуре 2"С; дорожки 7-9, тонкие нити осаждённые при 2°С, дорожки 10-12, супернатанты осаждения тонких нитей при 22°С; дорожки 13-15, тонкие нити, осаждённые при 22°С.

А, актин; АВР-40, актин связывающий белок с молекулярной массой 40 кДа; АВР-34, актин связывающий белок с молекулярной массой 34 кДа; ТМ, тропомиозин.

Методом MALDI-TOF MS/MS белки АВР-40 и АВР-34 были идентифицированы, как кальпонин мидии и его изоформа, соответственно (рис. 6). Кроме того, в тонких нитях была идентифицирована минорная изоформа тропомиозина (АВР-50). Для минорных белков АВР-330, АВР-220 и АВР-100 не было найдено гомологичных пептидных последовательностей в существующих базах данных. Однако в составе гладких мышц мидии Mytilus galloprovincialis белки с близкими молекулярными весами 270 кДа, 230 кДа и 105 кДа были недавно идентифицированы посредством антител к филамину позвоночных как изоформы филамина (Mendez-Lopez et al., 2012).

1.3. Способность топких нитей мидии активировать Mg-АТФазную активность миознна

Получаемые нами тонкие нити гладких мышц мидии активируют Mg-АТФазную активность миозина скелетных мышц кролика Са2+- зависимым образом (рис. 4). Однако степень активирования Mg-АТФазной активности миозина кролика тонкими нитями мидии

низка по сравнению с активированием Ф-актином скелетных мышц кролика и «природным» Ф-актином мидии (рис. 4). Мы предполагаем, что низкая активирующая способность может быть обусловлена наличием ингибирующего компонента в тонких нитях мидии. Однако это ингибирование исчезает после замены миозина кролика на миозин мидии (рис. 5). То есть, в случае синтетического актомиозина, реконструированного только из белков мидии, ингибирующий эффект не наблюдается.

Рис. 4. Сравнение активирования Mg-АТФазной активности миозина скелетных мышц кролика посредством Ф-актина скелетных мышц кролика (0), «природного» Ф-актина мидии («;о), и тонких нитей мидии (■;□) в присутствии («;м) и в отсутствие (£>;□) Са2+.

Условия: 75 мМ KCl, 2 мМ MgCl2, 20 мМ имидазол-HCl pH 6.5, 0.1 мМ СаС12 или 1 мМ ЭГТА; миозин кролика, 0.1 мг/мл.

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 Концентрация актина (мг/мл)

Рис. 5. Активирование тонкими нитями мидии Mg-ATФaзнoй активности миозина скелетных мышц кролика и миозина запирательных мышц мидии.

Условия: 75 мМ КС1; 2 мМ М§С12; 20 мМ имидазол-НС1 рН 7.2; 0.1 мМ СаС12; миозин кролика, 0.1 мг/мл, миозин мидии, 0.1 мг/мл.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Тонкие нити мидии (мг/мл)

2. Идентификация кальпониноподобпого белка в тонких нитях мидии

В гладких мышцах позвоночных Са2+-чувствительность тонких нитей обеспечивается кальдесмоном (120-140 кДа), который является третьим по содержанию белком тонких нитей после актина и тропомиозина. Однако, согласно электрофоретическим данным, в составе тонких нитей мидии полипептиды с молекулярной массой, соответствующей кальдесмону не обнаружены (рис. 1 и 2). Более того, неидентифицированные компоненты тонких нитей являются минорными, их количество явно недостаточно для того, чтобы располагаться

и

регулярным образом вдоль тонких нитей для выполнения регуляторных функций. Исключением является АВР-40, третий по содержанию белок тонких нитей мидии.

Белок АВР-40 был извлечён из 40 кДа зоны ДСН-ПААГ электрофореза изолированных тонких нитей мидии и проанализирован методом MALDI-TOF\MS\MS. Поиск в белковой базе данных Mascot (vvww.matrixscience.com) выявил 41% гомологию белка АВР-40 к кальпониноподобному белку из мышц мидии Mytilus galloprovincialis (45 кДа) (Funabara et al., 2001), который в свою очередь обладает 33% гомологией к кальпонину гладких мышц позвоночных животных (34 кДа). Таким образом, есть основания считать, что белок АВР-40 из тонких нитей запирательной мышцы мидии (Crenomytilus grayanus) принадлежит к семейству кальпонинов.

АВР-40 - второй кальпониноподобный белок, обнаруженный в мышцах двустворчатых моллюсков. В отличие от 45 кДа капьпониноподобного белка гладкой мышцы мидии Mytilus galloprovincialis, выделенного ранее из целой мышцы (Funabara et al., 2001), АВР-40 был выделен из изолированных тонких нитей и, следовательно, мы можем говорить о его локализации в тонких нитях.

При препаративном выделении белка АВР-40 из изолированных тонких нитей (Добржанская и др., 2010) или из мышечного гомогената посредством тепловой обработки (рис. 7Б, дорожка 5) в его препаратах всегда присутствует примесь белка с молекулярной массой 34 кДа (АВР-34). По результатам анализа MALDI-TOF\MS\MS оказалось, что белок АВР-34 также является кальпониноподобным белком. Гомология АВР-34 с кальпонином позвоночных животных составляет 24% , а с кальпониноподобным белком мидии Mytilus galloprovincialis составляет 22%.

А Б

Рис. 6. Идентификация двух изоформ кальпонина в препаратах из запирательных мышц мидии.

(А) ДСН-ПААГ электрофорез. (Б) Вестерн-блоттинг. Дорожка 1, тепловой экстракт из мышц мускульного желудочка „»J, —с»р-4о— „ цыплёнка; дорожка 2, тепловой экстракт из

», — СаР-34—

¿г! запирательных мышц мидии; дорожка 3,

с»р— гомогенат запирательной мышцы мидии;

» дорожка 4, тонкие нити запирательных

мышц мидии.

СаР, кальпонин гладких мышц цыплёнка; СаР-40, кальпонин мидии 40 кДа; СаР-34, кальпонин мидии 34 кДа.

Результаты МАЬ01-Т0Р/М5/МЗ были подтверждены с помощью метода белкового иммуноблота с использованием моноклональных антител к кальпонину позвоночных животных (рис. 6). Антитела к кальпонину позвоночных животных показали положительную кросс-реактивность как к кальпонину из гладких мышц мускульного желудочка цыплёнка, так и к бедкам АВР-40 и АВР-34 из гладких мышц мидии (рис. 6).

Таким образом, результаты МАЬП1-ТСЖ/МЗ/М8 и вестерн-блоггинга свидетельствуют о том, что белки АВР-40 и АВР-34 из гладких мышц мидии СгепотуШт цтауапт входят в семейство кальпонинов. Мы полагаем, что эти белки являются изоформами кальпонина запирательных мышц мидии. Это согласуется с литературными данными о наличие в гладких мышцах позвоночных животных двух изоформ кальпонина — основной, Ь-кальпонин и нейтральной, п-кальпонин (Б^авзег е1 а1., 1993).

3. Попек кальдесионоподобного белка в гладких мышцах мидии

Как говорилось выше, в составе тонких нитей мидии нами не были обнаружены полипептиды, которые могли бы претендовать на роль кальдесионоподобного белка. Это противоречит литературными данными, поскольку во всех тестированных гладких мышцах позвоночных были обнаружены как кальдесмон, так и кальпонин, а в гладких мышцах некоторых двустворчатых моллюсков был идентифицирован кальдесмон (Веппе1, МагБКт, 1990). Поэтому мы провели тщательный поиск кальдесмона или кальдесмонподобного белка как в составе Са2+-чувствительных тонких нитей, так и в составе целой гладкой мышцы мидии.

мне-

CaD-

Л+оТМ-

MR-сз

ТМ-50-СаР-40— ТМ-33^" "

► —СаР-40 ' ™чСаР-34

J1TM--

СаР—~

Рис. 7. ДСН-ПААГ электрофорез тепловых

экстрактов и их фракций из мышц мускульного желудочка цыплёнка (А) и гладких мышц мидии (Б).

(А) Дорожка 1, гомогенат мышц мускульного желудочка цыплёнка; дорожка 2, тепловой экстракт из мышц мускульного желудочка цыплёнка; дорожки 35, сульфатно-аммонийные фракции теплового экстракта: 030%, 30-50% и 50-65%, соответственно. (Б) Дорожка 1, тепловой экстракт из гомогената запирательных мышц мидии; дорожки 2-5, фракции теплового экстракта из гомогената запирательных мышц мидии: миород-содержащая фракция; кальпонин-и тропомиозин-содержащая фракция, тропомиозин содержащая фракция и кальпонин-содержащая фракция, соответственно.

А, актин; а, ß-TM, изоформы тропомиозина гладких мышц цыплёнка; ТМ-33 и ТМ-50, изоформы тропомиозина гладких мышцы мидии; СаР, кальпонин гладких мышц цыплёнка; СаР-40 и СаР-34, изоформы кальпонина гладких мышц мидии (числа соответствуют молекулярной массе полипептида); CaD, кальдесмон, МНС; тяжёлые цепи миозина; MR, миород.

1

— «•

3 4 5

г з

Мы использовали сходство в процедурах выделения кальпонина и кальдесмона - оба белка являются термоустойчивыми (Вге15с1тег, 1984; АЬе е1 а1., 1990). На рис. 7А показан состав белков мышцы цыплёнка, состав белков теплового экстракта из этой мышцы и фракции, содержащие кальпонин и капьдесмон. На рис. 7Б показан состав белков теплового экстракта из мышцы мидии, и составы фракций этого экстракта. При сопоставлении составов двух тепловых экстрактов видно, во-первых, что в составе экстракта из гладких мышц мидии присутствует специфический белок запирательных мышц моллюсков - миород (рис. 7Б, дорожка 1). Во-вторых, отсутствует полипептид с молекулярной массой кальдесмона. Отметим, что искомая молекулярная масса кальдесмона близка к массе полипептидов миорода - 113 и 106 кДа (ЭЬеМ'ко е1 а1., 2002). Однако миород, в отличие от кальдесмона, белок водонерастворимый (рис. 7Б, дорожка 2). Таким образом, ни в тепловом экстракте из гладких мышц мидии, ни во фракциях этого экстракта нет полипептидных цепей, характерных для кальдесмона.

Метод белкового иммуноблотта также не выявил положительную кросс-реактивность моноклональных антител к кальдесмону гладких мышц позвоночных с белками различных препаратов из мышц мидии. В то же время, эти антитела имели положительную кросс-реактивность к кальдесмону гладких мышц цыпленка (рис. 8).

Рис. 8. Вестерн-блоттинг на выявление кальдесмона в препаратах гладких запирательных мышц мидии.

(А) ДСН-ПААГ электрофорез. (Б) Вестерн-блоттинг.

Дорожка 1, тепловой экстракт гладких мышц мускульного желудочка цыплёнка; дорожка 2, тепловой экстракт из гладких мышц мидии; дорожка 3, гомогенат гладких мышц мидии; дорожка 4, тонкие нити мидии.

СаО —-

— СаЭ—л

•Я» — СаР-40 , — СаР-34

4. Свойства кальпонина мидии

Белки кальпониного семейства обладают рядом общих свойств. Они водорастворимы, основны, термостабильны, способны связываться с актином и ингибировать Mg-ATФaзнyю активность актомиозина.

4.1. Взаимодействие кальпонина мидии с Ф-актипом

Влияние белков кальпонинового семейства на актин-миозиновое взаимодействие опосредовано их взаимодействием с Ф-актином (НаеЬеНе, 1994; El-Mezgueldi е1 а1., 1995). Методом высокоскоростного соосаждения мы показали, что кальпонин мидии также связывается с «природным» Ф-актином мидии, как в отсутствие, так и в присутствии

тропомиозина мидии (рис. 9). Следовательно, места связывания тропомиозина и кальпонина мидии на актине различны и эти белки не конкурируют между собой за взаимодействие с актином.

Кальпонин мидии также связывается со скелетным Ф-актином кролика, однако сродство кальпонина к этому актину существенно ниже (рис. 10).

—СаР-40

— ^ТМ 5 6

Рис. 9. Связывание кальпонина мидии с «природным» Ф-актином мидии в присутствии и в отсутствие тропомиозина мидии.

Дорожка 1, «природный» Ф-актин мидии; дорожка 2, кальпонин мидии; дорожка 3, тропомиозин мидии; дорожка 4, ультраосадок смеси Ф-актина и кальпонина мидии; дорожка 5, ультраосадок смеси комплекса Ф-актина-кальпонин с тропомиозином; дорожка б, ультраосадок смеси комплекса Ф-актин-тропомиозин с кальпонином.

Условия: 75 мМ КС1, 2 мМ 1^С12, 2 мМ №N3, 20 мМ имидазол-НС1 (рН 6.5), 1 мМ ЭГТА; «природный» Ф-актин мидии, 0.1 мг/мл; тропомиозин мидии, 0.3 мг/мл, кальпонин мидии, 0.3 мг/мл. Все препараты, кроме Ф-актина, были предварительно осветлены при 110 000 g, 1.5 часа, ультраосаждение комплексов проводили в тех же условиях, при 22'С.

Рис. 10. Связывание кальпонина мидии с Ф-актином кролика (А) и «природным» Ф-актином мидии (■).

Условия: 75 мМ KCl, 2 мМ MgCl2, 2 мМ NaN3, 1 мМ ЭГТА, 20 мМ имидазол-НС1 (pH 6.5). Ф-актин кролика, 0.1 мг/мл; «природный» Ф-актин мидии, 0.1 мг/мл; кальпонин мидии, 0-0.15 мг/мл.

Свободный кальпонин

4.2. Влияние кальпонина мидии на актнн-миозиновое взаимодействие

На рис.11 показано ингибирование кальпонином мидии АТФазной активности синтетического актомиозина, реконструированного из миозина кролика и ФР-актина мидии, в присутствии и в отсутствие Са2+. Видно, что ингибирование составляет более 80% и не зависит от присутствия Са2+. Напомним, что в случае тестирования Са2+-чувствительности тонких нитей необходим именно скелетно-мышечный миозин, поскольку он не Са2+-чувствителен, в отличие от миозина гладких мышц. Кроме того, актомиозин для исследования регуляторных белков из разных мышц часто реконструируют из актина и миозина скелетных мышц позвоночных, поскольку их выделение проще и их свойства хорошо изучены. Однако, как следует из данных рис. 4 и 5, свойства гибридных моделей могут зависеть от источника белков,

Рис. 11. Ингибирование

кальпонином мидии Mg-АТФазной активности синтетического актомиозина, реконструированного из миозина кролика и Ф-актина мидии.

Условия: 30 мМ KCl, 2 мМ MgCl2, 2 мМ NaN3, 20 мМ имидазол-HCl (pH 6.5), 1 мМ ЭГТА или 0.2 мМ СаСЬ; миозин кролика, 0.1 мг/мл; Ф-актин кролика, 0.1 мг/мл; 0.3 мМ Mg-АТФ.

При тестировании кальпонина мы столкнулись с зависимостью его ингибирующего влияния, как от источника актина, так и источника миозина (рис. 12). Характер зависимости АТФазы миозина кролика от концентрации кальпонина различен для комплексов, содержащих актин кролика и актин мидии: в последнем случае зависимость значительно сильнее (рис. 12А). Скорее всего, это объясняется большим сродством кальпонина мидии к актину мидии (рис. 10). Интересно, что различия между «кроличьими» и «мидийными» кривыми максимальны при небольших концентрациях кальпонина (что ближе к in vivo соотношению кальпонин/актин) и становятся менее выраженными с увеличением концентрации (рис. 12А). По-видимому, несмотря на меньшее сродство кальпонина мидии к актину кролика, избыток кальпонина приводит к связыванию с Ф-актином кролика такого же количества кальпонина, как и в случае Ф-актина мидии. Такая же картина, но менее выраженная, наблюдается и в случае моделей, содержащих миозин мидии (рис. 12Б). В результате замены кроличьего миозина миозином мидии, независимо от источника актина, степень ингибирования Mg-АТФазной активности моделей становится намного ниже (84% и 27%, соответственно). Это выглядит неожиданно, поскольку ингибиторное влияние кальпонина принято считать его главным функциональным свойством и, следовательно, это свойство должно быть лучше выражено в негибридной модели, однако это не так (рис. 12Б).

Зависимость ингибирования от происхождения миозина интересна и с точки зрения механизма этой зависимости. Получается так, что сродство миозина кролика и миозина мидии к

что осложняет использование таких моделей.

л

Ö о г

0 т

Е 2

га -с К 2

г л

м

га о

0 2

1- ~ <

1

О)

150

100

ЭГТА

50-

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Кальпонин мидии (мг/мл)

актину (неважно к какому) неодинаково уменьшается в результате посадки кальпонина на актин. Наиболее вероятная причина этого может заключаться в том, что места связывания миозина кролика и миозина мидии на актине различны.

Рис. 12. Сравнение ингибирования кальпонином мидии М§-АТФазной активности синтетического актомиозина, реконструированного с использованием миозина кролика (А) и миозина мидии (Б) в сочетании с актином кролика (•) и актином мидии (■).

Условия: 75 мМ К.С1, 2 мМ Г^СЬ, 0.1 мМ СаС12, 20 мМ имидазол-НС1, рН 6.5. Миозин мидии и кролика, 0.1 мг/мл; «природный» Ф-актин мидии и Ф-актин кролика, 0.1 мг/мл; кальпонин мидии, 0-0.3 мг/мл.

Влияние кальпонина мидии на актин-миозиновое взаимодействие было также исследовано с помощью метода поляризационной микрофлуориметрии скелегно-мышечных теневых волокон. Использовали поляризованную флуоресценцию зондов, связанных с актином (1,5-1АЕПАЫ8 и РИС-фаллоидин), миозина (1,5-1АЕОАШ) и кальпонином мидии (акрилодан). Флуоресцентные зонды жёстко связаны с белками мышечного волокна и ориентированы в пространстве в соответствии с расположением белков. Изменение поляризованной флуоресценции при различных воздействиях на волокно свидетельствует о влиянии этих воздействий на конформацию белков, содержащих зонд.

Показано, что введение кальпонина мидии в теневое мышечное волокно приводит к заметным изменениям положения миозиновых головок (81) на различных стадиях АТФазного цикла, которые моделировались отсутствием или присутствием нуклеотидов - М§-АДФ и Mg-АТФ. Кальпонин во всех случаях уменьшает параметр Рц, т.е. увеличивает относительное количество слабых связей головок миозина с актином. Таким образом, кальпонин мидии ингибирует формирование сильных форм связывания между субфрагментом-1 головки миозина и актином, переводя их в более слабую форму связывания. Видимо, именно этот механизм лежит в основе ингибирования кальпонином АТФазной активности актомиозина. Полученные данные согласуются с литературными данными по кальпонину из гладких мышц позвоночных животных (Вмхткоу е1 а1., 1996; El-Mezgueldi, Ма^оп, 1996).

4.3. Кальпонин н Са - регуляция тонких нитей мидии

Нативные тонкие нити гладких мышц мидии обладают Са2+- регуляцией, но не содержат кальдесмон, который является общепризнанным Са2+- регуляторным белком тонких нитей гладких мышц позвоночных. На начальных этапах исследования природы Са2+- регуляции тонких нитей гладких мышц позвоночных животных на роль регулятора в равной степени претендовали и кальдесмон и кальпонин, но предпочтение было отдано кальдесмону, поскольку in vitro этот белок оказывал более выраженное регуляторное воздействие на реконструированные тонкие нити (Winder et al., 1993; Ansari et al., 2008). Так как в регулируемых тонких нитях мидии кальдесмона нет, то имеет смысл вновь вернуться к предположению о кальпонине как о Са2+-регуляторном белке тонких нитей мидии.

Хотя мы и не обнаружили какой-либо Са2+-зависимости при взаимодействии очищенного кальпонина с синтетическим актомиозином (рис. 11), нельзя исключить того, что кальпонин является лишь одним из компонентов Са2+-регуляторной системы, другие компоненты которой теряются при очистке. Для проверки этого предположения мы воспользовались возможностью избирательного удаления кальпонина из тонких нитей при понижении температуры (рис. 2).

250

J Н о

о

а 200 Ü

150

к 3 я

8 О 100

н *

50

ев

EZ3 1 мМ ЭГТА

Са2+-чувствительность (%) 61

55

52

0.6 0.8 1.0 ТНН-СаР

Рис. 13. АТФазная активность и степень Са2+-регуляции комплекса миозина кролика и тонких нитей мидии, содержащих и не содержащих кальпонин.

Условия: 30 мМ KCl, 2 мМ MgCl2, 2 мМ NaN3, 20 мМ имидазол-HCl (pH 6.5), 1 мМ ЭГТА или 0.2 мМ СаСЬ; миозин кролика, 0.1 мг/мл; тонкие нити, 0.6-1.0 мг/мл.

Мы сравнили Са2+-завнсимость АТФазной активности актомиозина, реконструированного с нативными тонкими нитями и с тонкими нитями, из которых кальпонин был избирательно удалён. Оказалось, что удаление кальпонина практически не сказывается на Са2+-

регуляции (рис. 13). Имеет место только различие в уровне АТФазной активности: комплексы с тонкими нитями, содержащими кальпонин, обладают более низкой АТФазной активностью по сравнению с комплексами без кальпонина. Очевидно, что это связано с ингибирующим действием кальпонина мидии на АТФазную активность, как это было показано ранее на синтетических моделях (рис. 11 и 13). Таким образом, можно утверждать, что Са2+-регуляция тонких нитей мидии не связана с кальпонином.

4.4. Влияние кальпонина мидни иа взаимодействие актиновых нитей

Взаимодействие кальпонина с актиновыми нитями может приводить к их латеральной агрегации. Многие поликатионы вызывают образование пучков актиновых ннтей, в основе которого лежит нейтрализация отрицательных зарядов на актиновых нитях (Tang, Janmey,

1996). Кальпонин мидии обладает сильно выраженной способностью осаждать актиновые нити (рис. 14). В экспериментах использовался «природный» Ф-актин мидии, который осаждается высокоскоростным центрифугированием, но не осаждается, как кальпонин, при низкоскоростном центрифугировании. Однако смешивание этих белков приводит к их появлению в низкоскоростном осадке и его количество увеличивается по мере увеличения содержания капьпонина.

Рис. 14. Влияние капьпонина мидии на осаждение «природного» Ф-актина мидии при низкоскоростном центрифугировании.

Дорожка 1, супернатант низкоскоростного осаждения «природного» Ф-актина; дорожка 2, осадок низкоскоростного осаждения «природного» Ф-актина; дорожка 3, осадок низкоскоростного осаждения капьпонина мидии; дорожка 4, супернатант низкоскоростного осаждения капьпонина мидии; дорожки 5-9, осадки низкоскоростного осаждения смесей «природного» Ф-актина с кальпонина мидии с содержанием кальпонина 0.1 мг/мл, 0.3 мг/мл, 0.6 мг/мл, 1 мг/мл и 1.3 мг/мл, соответственно.

Условия: 75 мМ KCl, 2 мМ MgCl2, 2 мМ NaN3, 20 мМ имидазол-HCl (pH 6.5), 1 мМ ЭГТА; «природный» Ф-актина мидии, 1 мг/мл; кальпонин мидии 0.1-1.3 мг/мл. Белковые смеси осаждались при 40 000 g в течение 20 минут при 25'С.

Предполагается, что in vivo латеральная агрегации капьпонином цитоплазматического актина может приводить к увеличению жесткости цитоскелета клетки (Jensen et al., 2012). Мы исследовали влияние основных компонентов тонких нитей мидии - тропомиозина и кальпонина - на вязкость «природного» Ф-актина мидии (Рис. 15). Оказалось, что очень низкая вязкость «природного» Ф-актина мидии возрастает при добавлении тропомиозина мидии на порядок. Последующее добавление к этому комплексу кальпонина мидии, наоборот, снижает вязкость комплекса в четыре раза. Видимо, последний эффект указывает на образование латеральных агрегатов нитей актина. Асимметрия таких агрегатов меньше, чем отдельных тонких нитей, что и определяет уменьшение вязкости при добавлении кальпонина. Следует отметить, что сильное влияние капьпонина мидии на вязкость актиновых нитей наблюдается только в присутствии тропомиозина, обязательного компонента тонких нитей. В случае его отсутствия кальпонин не оказывает влияния на вязкость Ф-актина (Рис. 15).

4.5. Возможная функция кальпонина в запирательных мышцах

Роль кальпонина в гладких мышцах и в немышечных клетках остаётся неясной. Поскольку впервые кальпонин был обнаружен в составе гладких мышц, длительное время считалось, что он принимает участие в регуляции сокращения гладких мышц (Winder, Walsh, 1996). Затем было показано, что кальпонин также принимает участие во внутриклеточной сигнализации (Leinweber, 1999) и стабилизации актинового цитоскелета в мышечных и

немышечных клетках (Rozenblum, Gimona, 2008). Предполагается, что кальпонин может участвовать в регуляции цитоскелета посредством сшивания нитей актина, тем самым, создавая

жёсткую конструкцию (Jensen et al., 2012).

Рис. 15. Приведенная вязкость комплексов «природного» Ф-актина мидии (nFA) с кальпонином мидии (nFA+CaP), тропомиозином мидии (nFA+TM) и кальпонином с тропомиозином (nFA+TM+CaP).

Условия: 75 мМ KCl, 2 мМ MgCh, 2 мМ NaN3, 20 мМ имидазол-HCl (pH 6.5), 1 мМ ЭГТА; «природный» Ф-актин мидии, 0-3 мг/мл; весовое соотношение белков в комплексах и синтетических тонких нитях, nFA : TM : СаР 1 : 0.3 : 0.5.

Полученные нами результаты

низкоскоростного центрифугирования и

вискозиметрии комплексов «природного» Ф-актина и кальпонина мидии в присутствии и в отсутствие тропомиозина (Рис. 14 и 15) свидетельствуют о том, что взаимодействие кальпонина мидии с комплексом Ф-актин-тропомиозин приводит к значительным изменениям механических свойств актиновых нитей. Мы предполагаем, что такого типа изменения могут быть вовлечены в механизм запирательного тонуса мышц двустворчатых моллюсков.

ВЫВОДЫ

1. В составе изолированных тонких нитей гладких мышц мидии Crenomytilus grayamis обнаружен белок с молекулярной массой 40 кДа, который идентифицирован как кальпониноподобный белок (кальпонин мидии).

2. Присутствие кальпонина мидии в тонких нитях зависит от условий среды: понижение температуры или повышение ионной силы и pH раствора вызывает диссоциацию кальпонина при сохранении всех остальных компонентов тонких нитей и сохранении Са2+-регуляции тонких нитей.

3. Свойства кальпонина мидии качественно такие же, как и кальпонина гладких мышц позвоночных. Однако степень влияния кальпонина мидии на актин-миозиновое взаимодействие зависит от происхождения актина и миозина.

4. Вопреки литературным данным, мы не обнаружили кальдесмон в гладких мышцах мидии.

5. Предполагается, что кальпонин гладких мышц двустворчатых моллюсков принимает участие в запирательном тонусе в качестве регуляторного белка актинового цитоскелета.

Концентрация (мг/мл)

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, индексируемых в международных системах цитирования:

1. Добржанская А.В., Матусовская Г.Г., Матусовский О.С., Шелудько Н.С. Тонкие нити запирательных мышц двустворчатых моллюсков могут содержать кальпонин-подобный белок // Биофизика. 2010. Т. 55, № 5. С. 785-789.

2. Сиренко В.В., Симонян А.О., Добржанская А.В., Шелудько Н.С., Боровиков Ю.С. 40 кДа-белок тонких нитей мидии ингибирует формирование сильных форм связывания миозина с актином в цикле гидролиза АТФ // Биохимия. 2012. Т. 77, № 8. С. 1080-1088.

3. Сиренко В.В., Симонян А.О., Добржанская А.В., Шелудько Н.С., Боровиков Ю.С. 40 кДа белок тонких нитей мидии изменяет конформацию Ф-актина в АТРазном цикле // Биохимия. 2013. Т. 78, №. 3. С. 364 - 374.

4. Dobrzhanskaya А. V., Vyatchin I. G., Lazarev S. S., Matusovsky О. S., Shelud'ko N. S. Molluscan smooth catch muscle contains calponin but not caldesmon // Journal of Muscle Research and Cell. Motility. 2013. Vol. 34, № 1. P. 23-33.

Публикации в материалах конференций:

1. Добржанская А.В., Пермякова Т.В., Матусовская Г.Г., Реваковская А.Г., Шелудько Н.С. Запирательные мышцы мидии Crenomytilus grayanus обладают двойной Са -регуляцией // Конференция студентов, аспирантов и молодых учёных НОЦ ДВГУ «Морская биота», Владивосток, Россия, 28 апреля, 2006: сборник тезисов. Владивосток: Издательство Дальневосточного университета. 2006. С. 38-39.

2. Dobrzhanskaya A.V., Permyakova T.V., Matusovskaya G.G., Matusovsky O.S., Revakovskaya A.G., Shelud'ko N.S. Thin filaments from molluscan smooth muscle of the mussel Crenomytilus grayanus are Ca2+-sensitive // International symposium "Biological motility: basic research and practice", Pushchino, Russia, May 11-15, 2006: abstracts of International symposium. Пущино: Пущинский издательский центр РАН, 2006. С. 20-22.

3. Добржанская А.В., Матусовская Г.Г., Матусовский О.С., Реваковская А.Г., Шелудько Н.С. Выделение, идентификация и свойства кальпонин-подобного белка запирательной мышцы мидии Crenomytilus grayanus // XII всероссийская молодёжная школа-конференция по актуальным проблемам химии и биологии, Владивосток, Россия, 7-14 сентября, 2009: сборник тезисов. Владивосток: ДВО РАН, 2009. С. 21.

4. Dobrzhanskaya A.V., Matusovskaya G.G., Matusovsky O.S., Shelud'ko N.S. The thin filaments of molluscan smooth muscles contains a calponin-like protein // International symposium "Biological motility: from fundamental achievements to nanotechnologies", Pushchino, Russia, May 11-16, 2010: abstracts of International symposium. Пущино: Пущинский издательский центр РАН, 2010. С. 75-76.

5. Dobrzhanskaya A.V., Matusovskaya G.G., Matusovsky O.S., Shelud'ko N.S. The thin filaments from molluscan smooth "catch" muscle possess an unknown calcium regulation // The 3rd Asia pacific protein association conference in conjunction with the 3rd Symposium of the Chines protein society "Protein and Beyond", Shanghai, China, May 6-9, 2011: abstracts of conference. Shanghai: Shanghai University, 2011. P. 174.

6. Sirenko V.V., Simonyn A.A., Dobrzhanskaya A.V., Shelud'ko N.S., Borovikov Y.S. Calponin-like protein inhibits the rotation of SHI myosin and actin subdomain-1 and alters

their mobility during the ATP hydrolysis cycle // 40th European muscle conference, Berlin, Germany, September 14-18, 2011: abstracts of conference. Berlin: Springer Publishing, 2011. P. 73.

7. Dobrzhanskaya A.V., Vyatchin I.G., Lazarev S.S., Matusovsky O.S., Shelud'ko N.S. Smooth muscle from mussel Crenomytilus grayanus does not contain caldesmon // International symposium "Biological motility: fundamental and applied science", Pushchino, Russia, May 914, 2012: abstracts of International symposium. Пугцино: Пущинский издательский центр РАН, 2012. С. 48.

8. Симонян А.О., Крутецкая З.И., Добржанская А.В., Шелудько Н.С., Сиренко В В., Боровиков Ю.С. Новый белок из тонких нитей запирательной мышцы Мидии Грея // 16 Международная Пущинская школа-конференция молодых учёных «Биология наука XXI века», Пущино, Россия, 30 июля - 3 августа, 2012 года: сборник тезисов. Пущинский издательский центр РАН, 2012. С. 74.

Добржанская Анна Валерьевна

СОСТАВ И СВОЙСТВА ТОНКИХ НИТЕЙ ЗАПИРАТЕЛЬНЫХ МЫШЦ МИДИИ СКЕГЧОМУТПД« СИАУАМШ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 15.11.2013г. Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. 3,08. Тираж 100 экз. Заказ 637

Отпечатано в дирекции публикационной деятельности ДВФУ 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская 10

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Добржанская, Анна Валерьевна, Владивосток

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук

На правах рукописи

мли 124

ДОБРЖАНСКАЯ Анна Валерьевна

/

СОСТАВ И СВОЙСТВА ТОНКИХ НИТЕИ ЗАПИРАТЕЛЬНЫХ МЫШЦ МИДИИ CRENOMYTIL US GRAY ANUS

03.03.04 - клеточная биология, цитология, гистология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, старший научный сотрудник Шелудько Н.С.

Владивосток 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................5

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Гладкие (запирательные) мышцы моллюсков..............................10

1.1.1. Структурно-функциональные особенности мышц двустворчатых моллюсков..........................................................................10

1.1.2. Толстые нити запирательных мышц моллюсков............................11

1.1.3. Тонкие нити запирательных мышц моллюсков............................14

1.2. Особенности Са2+-регуляции сокращения мышц двустворчатых моллюсков..........................................................................15

1.2.1. Миозиновый тип Са -регуляции..............................................15

1.2.2. Актиновый тип

Са

-регуляции................................................16

1.3. Запирательное сокращение гладких мышц двустворчатых моллюсков..........................................................................18

1.3.1. «Мостиковая» («миозиновая») гипотеза.....................................19

1.3.2. «Твитчиновая» гипотеза.........................................................20

1.3.3. Возможное участие миорода в запирательном сокращении.............22

1.4. Белки калыюнинового семейства.....................................................23

1.4.1. Кальпонин гладких мышц позвоночных.....................................24

1.4.2. Кальпонин немышечных клеткок.............................................27

1.4.3. Кальпонин беспозвоночных животных.......................................29

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Выделение сократительных белков из гладких мышц моллюсков.............30

2.2. Выделение сократительных белков из скелетных мышц кролика.............30

2.3. Получение термостабильных белков из гладких мышц цыплёнка и мидии Грея..........................................................................................31

2.4. ДСН-электрофорез в полиакриламидном геле......................................32

2.5. Белковый иммуноблот...................................................................33

2.6. Измерение АТФазной активности.....................................................34

2.7. Матричная лазерная десорбционно-ионизационная времяпролетная тандемная масс-спектрометрия (МАЦМ/МБ-МБ).................................35

2.8. Низкоскоростное и высокоскоростное осаждение белковых комплексов.................................................................................36

2.9. Денситометрия.............................................................................36

2.10. Теневые мышечные волокна...........................................................36

2.11. Измерение вязкости......................................................................38

2.12. Вспомогательные методы...............................................................39

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Выделение и состав тонких нитей запирательных мышц мидии...............40

3.2. Активирование тонкими нитями мидии М§-АТФазной активности миозина кролика.....................................................................................45

3.3. Идентификация кальпониноподобного белка в составе тонких нитей мидии........................................................................................48

3.4. Поиск кальдесмоноподобного белка в гладких мышцах мидии................52

3.5. Свойства кальпонина гладких мышц мидии........................................56

3.5.1. Влияние кальпонина мидии на М§-АТФазную активность актомиозина........................................................................56

3.5.2. Взаимодействие кальпонина мидии с актином..............................58

3.5.3. Кальпонин мидии и Са - регуляция тонких нитей мидии...............61

3.5.4. Влияние кальпонина мидии на гидролиз АТФ в теневых мышечных волокнах.............................................................................62

3.5.5. Влияние кальпонина мидии на взаимодействие актиновых нитей.....66

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Тонкие нити гладких мышц мидии...................................................70

4.1.1. Выделение тонких нитей мидии...............................................70

4.1.2. Белковый состав тонких нитей мидии.......................................72

4.2. Идентификация кальпонина в гладких мышцах мидии..........................72

4.3 Попытка идентификации кальдесмона в гладких мышцах мидии............................................................................................75

4.4 Свойства кальпонина мидии............................................................76

4.5 Са24-чувствительность тонких нитей мидии........................................78

4.6 Возможная функция кальпонина в запирательных мышцах....................79

ВЫВОДЫ......................................................................................................................82

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.........................83

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................84

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Согласно предложенной в середине 50-х годов теории мышечного сокращения, в основе сокращения мышц лежит взаимодействие миозина и актина (Huxley, Hanson, 1954), которое стимулируется повышением концентрации кальция в саркоплазме. Последующее снижение концентрации кальция в фазных мышцах приводит к их быстрому расслаблению. Однако существуют состояния мышечной активности, которые не могут быть объяснены в рамках существующих представлений о молекулярном механизме мышечного сокращения. Например, в гладких тонических мышцах может наблюдаться особое замедленное расслабление, что позволяет мышцам долгое время поддерживать напряжение при незначительном расходе энергии. В случае гладких мышц позвоночных такое состояние называется latch (Dillon et al., 1981). В гладких мышцах двустворчатых моллюсков такое состояние известно как запирательный тонус (catch). Запирательные мышцы моллюсков могут часами находиться в сокращённом состоянии без затрат энергии АТФ (Twarog, 1967). Не исключено, что между явлениями catch и latch существует не только функциональное сходство, но и сходство в молекулярном механизме этих явлений.

Способность гладких мышц к замедленному расслаблению или к запирательному тонусу связывают с особенностями их структуры, отличной от структуры поперечно-полосатых мышц. Во-первых, отсутствуют саркомеры -строго упорядоченная система тонких и толстых нитей, что определяется иным соотношением толстых и тонких нитей. Так, в гладких мышцах соотношение тонких нитей к толстым составляет 15-18 : 1, а в поперечно-полосатых мышцах 2 :

1 (Morphy, 1976). Во-вторых, с уникальным строением и составом белков толстых

2+

нитей (Galler, 2008). В-третьих, с наличием в гладких мышцах двух систем Ca -регуляции сокращения. В гладких мышцах, наряду с регуляцией сокращения посредством толстой нити («миозиновая» регуляция), существует и актиновая регуляторная система (Chalovich, 1992), включающая белки тонких нитей, такие

как кальдесмон, тропомиозин и калыюнин (Szymanski, 2004). Напомним, что в поперечно-полосатых мышцах представлена только «актиновая» регуляция, включающая тропонин.

Белковый состав тонких нитей гладких мышц позвоночных хорошо изучен. В состав тонких нитей этих мышц входят актин, тропомиозин, кальдесмон и кальпонин (Winder, Walsh, 1996, Gimona, Small, 1996). Хотя кальпонин и рассматривается как белок тонких нитей гладких мышц, в составе изолированных тонких нитей его идентифициролвали далеко не все исследователи (Nishida et al., 1990; Lehman, 1991; Winder, Walsh, 1996). В то же время ассоциация кальпонина с нитями актина in vivo показана конфокальной иммунофлуоресценцией (Walsh et al, 1993).

Общепринято, что в тонких нитях гладких мышц позвоночных животных

2+

представлен кальдесмоновый тип Са -регуляции (Smith, Marston, 1985; Marston, 1995; Winder, Walsh, 1996). Есть также данные о том, что этот тип Са -регуляции представлен в тонких нитях гладких мышц двустворчатых моллюсков (Bennett, Marston, 1990). Однако в данной работе нам не удалось обнаружить кальдесмон ни в составе гладких мышц мидии, ни в составе Са2+-регулируемых изолированных тонких нитей из этих мышц. Таким образом, вопрос о составе белков тонких нитей мышц моллюсков, их свойствах, а также вопрос о природе Са2+-чувствительности остаётся открытым.

Цели и задачи исследования

Целью работы было выяснение роли тонких нитей гладких мышц двустворчатых моллюсков в запирательном тонусе. Были поставлены следующие задачи:

1. Разработать метод получения изолированных тонких нитей гладких мышц двустворчатых моллюсков на примере мышц мидии Crenomytilus grayanus.

2. Выяснить белковый состав изолированных тонких нитей.

3. Идентифицировать белковые компоненты в составе тонких нитей.

Научная новизна

Разработан принципиально новый метод получения Са -регулируемых тонких нитей из гладких мышц двустворчатых моллюсков. Предложенный метод позволяет получать изолированные тонкие нити с постоянным белковым составом и высоким выходом — 17-23 мг тонких нитей на 1 г свежей мышцы. Используемые в настоящее время методы получения изолированных тонких нитей, в случае гладких мышц позвоночных животных, позволяют получать 2-2.5 мг/г (Marston, Smith, 1984), а в случае гладких мышц моллюсков - 0.7-2.5 мг/г (Bennett, Marston, 1990).

Впервые показано присутствие кальпонина в составе тонких нитей из гладких мышц беспозвоночных животных.

Впервые, детально исследованы физико-химические свойства кальпонина из тканей беспозвоночных животных.

Обнаружена зависимость присутствия кальпонина мидии в составе изолированных тонких нитей от условий среды: температуры, ионной силы и рН. Принципиальным фактором, определяющим присутствие кальпонина в составе изолированных тонких нитей, является температура их осаждения. Так понижение температуры с 22°С до 2°С приводит к полной диссоциации кальпонина при сохранении всех остальных белков в составе тонких нитей и сохранении Са2+-регуляции тонких нитей.

В работе показано, что в Са -регуляция тонких нитей мидии не является кальдесмоновой, как это предполагалось ранее (Bennett, Marston, 1990).

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученные результаты расширяют и конкретизируют наши представления о механизмах функционирования запирательных мышц. Они имеют фундаментальное значение для понимания роли тонких нитей гладких мышц двустворчатых моллюсков в запирательном тонусе этих мышц. Практическая значимость работы связана с разработкой принципиально нового метода выделения нативных тонких нитей из мышц моллюсков.

Апробация результатов и публикации

Основные результаты диссертационной работы были представлены на Международных симпозиумах «Биологическая подвижность» (Пущино, 2006, 2010, 2012), Конференции студентов, аспирантов и молодых учёных НОЦ ДВГУ (Владивосток, 2006), XII Всероссийской молодёжной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии (Владивосток, 2009), Ежегодных научных конференциях Института биологии моря им. А.В. Жирмунского (Владивосток, 2010, 2011, 2012), Международной конференции Азиатско-тихоокеанской белковой ассоциации (Шанхай, Китай, 2011), 40-ой Европейской мышечной конференции (Берлин, Германия, 2011), Международной Пущинской школе-конференции молодых учёных (Пущино, 2012).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе — 4 в журналах, индексируемых в международных системах цитирования.

Личный вклад соискателя

Экспериментальная часть работы была выполнена соискателем самостоятельно, за исключением масс-спектрометрии, проведенной в НИИ Физико-химической медицины Росздрава, и экспериментов на теневых волокнах, выполненных в лаборатории молекулярных основ клеточной подвижности Института цитологии РАН. Соискатель непосредственно участвовал в анализе и интерпретации полученных результатов, в представлении результатов на конференциях и подготовке публикаций по результатам исследований.

Структура и объём работы

Диссертация изложена на 103 страницах, состоит из «Введения», глав «Обзор литературы», «Материалы и методы исследования», «Результаты исследования» и «Обсуждение результатов», выводов, списка сокращений и условных обазначенией и списка цитируемой литературы, включающего 211 ссылок, из них 199 на иностранных языках. Рукопись содержит 20 рисунков и 2 таблицы.

Финансовая поддержка работы

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология» Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 12-0433076) и Конкурса проектов ДВО РАН (проекты № 10-Ш-В-06-040, № 11-Ш-В-06-107, № 12-Ш-В-06-095).

Благодарности

Автор выражает признательность сотрудникам лаборатории биофизики клетки Института биологии моря за постоянную помощь на всех этапах исследования. Автор благодарит д.б.н. Ю.С. Боровикова и сотрудников лаборатории молекулярных основ клеточной подвижности Института цитологии РАН за участие в совместной работе.

Глава. 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Гладкие (запирательные) мышцы моллюсков

1.1. ¡.Структурно-функциональные особенности мышц двустворчатых моллюсков

Тип моллюсков, включающий более ста тридцати тысяч видов, представляет собой обширнейшую группу животных, уступающую по количеству видов только типу членистоногих. Наряду с достаточно чёткими критериями типа и наличием общих черт, животные этой группы, объединяемые в разные классы, характеризуются выраженными признаками специализации (Догель В.А., 1981). Так, почти для всех моллюсков характерно наличие раковины. При этом, строение раковины у представителей разных классов определяет строение тела животных, и в частности, строение мускулатуры. Общая структура мышц лучше всего изучена у класса двустворчатых моллюсков, где выделяют мантийную мускулатуру и мускулатуру ноги. Важнейшими производными мантийной мускулатуры являются аддукторы, мышцы закрывающие створки раковины. Типичным является наличие двух аддукторов - переднего и заднего, которые по гистологической классификации относятся к гладким мышцам. Однако у некоторых видов, например у представителей семейства Морские гребешки {Pectinidae), аддуктор имеет чёткое видимое глазу разделение на фазную мышцу (функционально более быструю), что соответствует скелетным мышцам позвоночных животных, и на тоническую (более медленную), что соответствует гладким мышцам.

Гладкие запирательные (catch) мышцы двустворчатых моллюсков по строению и функциональным свойствам не имеют аналогов среди различных систем биологической подвижности. Помимо особенностей молекулярного строения, о которых пойдёт речь ниже, уникальным свойством этих мышц является способность кроме обычных состояний — сокращение и расслабление — находиться в состоянии запирательного тонуса (catch). В этом состоянии мышца

способна поддерживать высокое напряжение в течение длительного времени при минимальном расходе энергии. При этом молекулярный механизм реализации состояния запирательного тонуса не может быть объяснён с точки зрения классической теории мышечного сокращения, предложенной в середине 50-х годов 20 века (Huxleya, Hanson, 1954 (94); Huxley, Niedergerke, 1954). Интересно, что для гладких (тонических) мышц позвоночных животных также известна способность к уникальному состоянию замедленного расслабления (latch-состоянию), при котором мышцы некоторое время могут поддерживать напряжение при незначительном расходе энергии (Dillon et al., 1981). Такое состояние длительного тонуса гладких мышц позвоночных также не может быть объяснено в рамках существующих представлений о механизмах биологической подвижности. Очевидно, что в гладких мышцах позвоночных и беспозвоночных животных может существовать не только функциональное сходство между явлениями catch и latch, но и сходство молекулярных механизмов реализации этих явлений. Здесь важно отметь принципиальное отличие гладких мышц от поперечно-полосатых - наличие у первых двух систем Са2+-регуляции сокращения. То есть, в гладких мышцах, наряду с регуляцией сокращения посредством толстой нити, осуществляемого через миозин, существует актиновая регуляторная система (Chalovich, 1992), включающая белки тонких нитей, такие как кальдесмон, тропомиозин и кальпонин (Szymanski, 2004). Напомним, что в случае поперечно-полосатых мышц, Са2+-регуляторная система мышечного сокращения связана только с тонкой (актиновой нитью). Наличие двух систем Са2+-регуляции сокращения в гладких мышцах в первую очередь связывают со способностью этих мышц к уникальным состояниям catch и latch.

1.1.2. Толстые нити запирателъных мышц моллюсков

Толстые нити запирателъных мышц моллюсков значительно отличаются от таковых из гладких мышц не только позвоночных, но и беспозвоночных животных, не способных поддерживать запирательный тонус (catch). Толстые нити запирательных мышц моллюсков имеют исключительно большие размеры

по сравнению с толстыми нитями из других мышц, как по диаметру (до 100 нм), так и по длине (до 50-100 мкм) (Lowy, Hanson, 1962).

Основой толстой нити запирательных мышц моллюсков является белок парамиозин. Общепринято считать, что он выполняет структурную роль, образуя остов, на котором располагаются поверхностные белки толстой нити — миозин (Szent-Gyorgyi et al., 1971), миород (Shelud'ko et al., 1999) и твитчин (Shelud'ko et al., 2004a, 2004b). Интересно, что парамиозин присутствует в составе толстых нитей мышц всех беспозвоночных животных, о