Transkrypt

1 POSTÊPY BIOLOGII LOKALIZACJA KOMÓRKI I FUNKCJE W KOMÓRCE TOM NR 3 ( ), UNIKATOWY LIPID B ONY KOMÓRKOWEJ: RÓ NORODNOŒÆ FUNKCJI I MNOGOŒÆ BIA EK EFEKTOROWYCH, A UNIQUE PLASMA MEMBRANE LIPID: VARIOUS FUNCTIONS AND MULTIPLE EFFECTOR PROTEINS Ewelina SZYMAÑSKA, Katarzyna KWIATKOWSKA Pracownia Receptorów B³ony Komórkowej, Instytut Biologii Doœwiadczalnej im. M. Nenckiego PAN, Warszawa Streszczenie: Fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan [ ] jest lipidem wystêpuj¹cym g³ównie w wewnêtrznej warstwie b³ony komórkowej. Lipid ten kontroluje aktywnoœæ wybranych kana³ów i pomp b³onowych, a tak e moduluje dzia³anie wielu bia³ek podb³onowych, w tym bia³ek cytoszkieletu aktynowego. W wyniku hydrolizy i fosforylacji powstaj¹ trzy przekaÿniki drugiego rzêdu: IP 3, DAG i PI(3,4,5)P 3. Zarówno, jak i jego pochodne uczestnicz¹ w transdukcji sygna³ów i kontroluj¹ takie procesy, jak: migracja komórek, egzo-, endo- i fagocytoza oraz transport jonów. Wielofunkcyjnoœæ wskazuje na istnienie wielu odrêbnych puli tego lipidu w b³onie komórkowej, które powstaj¹ w wyniku lokalnej syntezy i ograniczeñ w dyfuzji lateralnej wynikaj¹cej z wi¹zania lipidu przez bia³ka podb³onowe, takie jak: MARCKS i GAP-43. G³ównym Ÿród³em jest reakcja fosforylacji PI(4)P katalizowana przez PIP5-kinazy typu I. PIP5-kinaza Ia asocjuje z b³on¹ komórkow¹ wi¹ ¹c siê do swojego substratu, PI(4)P oraz do produktu. Szereg doniesieñ wskazuje, e zarówno, jak i PIP5-kinaza Ia zbieraj¹ siê w b³onie komórkowej w obrêbie mikrodomen wzbogaconych w sfingolipidy i cholesterol. Interakcja z bia³kami efektorowymi zachodzi drog¹ oddzia³ywañ lipidu z sekwencjami bia³kowymi bogatymi w aminokwasy zasadowe lub z ustrukturyzowanymi domenami, wœród których szczególnie du ¹ specyficznoœæ wobec wykazuje domena plekstrynowa (PH) fosfolipazy Cd1. Rekombinowane bia³ka fuzyjne zawieraj¹ce tê domenê stosowane s¹ jako narzêdzia w badaniach nad dynamik¹ w komórce. S³owa kluczowe: fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan, domena plekstrynowa, b³ona komórkowa. Summary: Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate [ ] is a lipid of the inner leaflet of the plasma membrane. This lipid controls activity of distinct ion channels and pumps of the plasma membrane and is bound by numerous submembraneous proteins, including proteins of the actin cytoskeleton. In addition, hydrolysis and phosphorylation of generate three second messengers, IP 3, DAG and PI(3,4,5)P 3. For all these reasons, participates in signal transduction and controls many other processes including cell migration, exo-, endo- and phagocytosis and ion transport. This wide array of functions suggests that many distinct pools of the lipid co-exist in the plane of the plasma membrane.

2 344 E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA They can be generated as a result of a local synthesis and by a restricted lateral mobility of in the membrane ensuing from sequestration of by submembraneous proteins like MARKCS and GAP-43. is synthesized mainly by phosphorylation of PI(4)P catalyzed by PIP5-kinases of type I. PIP5-kinase Ia associates with the plasma membrane due to binding to both the PI(4)P substrate and the product of its activity. A line of data suggest that and PIP5- kinase Ia are compartmentalized in plasma membrane microdomains enriched in sphingolipids and cholesterol, so-called rafts. Interactions of with effector proteins are mediated either by unfolded sequences enriched in basic amino acids or by globular domains among which pleckstrin homology (PH) domain of phospholipase Cd1 displays especially high specificity toward. Recombinant proteins composed of the PH domain tagged with fluorescent proteins have been recently introduced as tools to study the dynamics of in cells. Key words: phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate, pleckstrin homology domain, plasma membrane. WSTÊP Fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan [ ] jest lipidem wewnêtrznej warstwy b³ony komórkowej i stanowi zaledwie 1% wszystkich fosfolipidów b³ony. Niemniej jednak, odgrywa kluczow¹ rolê w regulacji aktywnoœci b³ony komórkowej le ¹cej u podstaw takich procesów, jak: migracja i adhezja komórki, endo-, egzo- i fagocytoza oraz aktywacja kana³ów jonowych [43, 74, 78, 96]. Regulatorowa rola wynika z faktu, e jego metabolizm jest Ÿród³em trzech wtórnych przekaÿników sygna³u, a tak e jest rezultatem bezpoœredniego oddzia³ywania tego lipidu z szeregiem bia³ek efektorowych, w tym bia³ek uczestnicz¹cych w reorganizacji cytoszkieletu aktynowego. jest jednym z pochodnych fosfatydyloinozytolu, których fosforylacja/defosforylacja wraz z hydroliz¹ sk³adaj¹ siê na tzw. cykl fosfatydyloinozytolowy. Fosfatydyloinozytol (ryc. 1) syntetyzowany jest w retikulum endoplazmatycznym, sk¹d transportowany jest do innych b³on komórki. Stanowi on oko³o 8% wszystkich lipidów w komórce i oko³o 10% wszystkich lipidów cytoplazmatycznej warstwy RYCINA 1. Wzór strukturalny fosfatydyloinozytolu. Grupy fosforanowe mog¹ byæ przy- ³¹czane wi¹zaniem estrowym do atomów wêgla w pozycji 3, 4 i 5 FIGURE 1. The structure of phosphatidylinositol. Phosphate groups can be attached via esteric bonds at the 3, 4 and 5 positions of the inositol ring

3 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 345 RYCINA 2. Heterogenne rozmieszczenie fosfatydyloinozytoli w komórce. B³ona komórkowa jest g³ównym miejscem wystêpowania (A, groty strza³ek), podczas gdy PI(4)P znajduje siê g³ównie w aparacie Golgiego (B, strza³ka). Fosfatydyloinozytole uwidoczniono w chomiczych fibroblastach przy u yciu sond bia³kowych rekombinowanych bia³ek zawieraj¹cych domenê PH fosfolipazy Cd1 (A) i domenê PH bia³ka Fapp1 (B), po³¹czonych z fluorescencyjnym bia³kiem GFP FIGURE 2. Heterogeneous distribution of phosphoinositides in cells. The plasma membrane is the main location of (A, arrowheads) whereas PI(4)P is localized predominantly in the Golgi apparatus (B, arrow). Phosphoinositides are visualized in hamster fibroblasts using recombinant proteins composed of PH domain of phospholipase Cd1 (A) and PH domain of Fapp1 protein (B) both fused with fluorescent protein GFP b³ony komórkowej [87]. W wyniku fosforylacji pierœcienia inozytolu przy poszczególnych atomach wêgla z fosfatydyloinozytolu powstaj¹: fosfatydyloinozytolo-3-fosforan [PI(3)P], fosfatydyloinozytolo-4-fosforan [PI(4)P] oraz fosfatydyloinozytolo-5-fosforan [PI(5)P], które z kolei s¹ prekursorami dla: fosfatydyloinozytolo-3,4-bisfosforanu [PI(3,4)P 2 ], fosfatydyloinozytolo-3,5-bisfosforanu [PI(3,5)P 2 ], i fosfatydyloinozytolo-3,4,5-trisfosforanu [PI(3,4,5)P 3 ]. Spoœród wszystkich fosfatydy-loinozytoli w komórce, PI(4)P oraz wystêpuj¹ w najwiêkszej iloœci stanowi¹c ponad 99% wszystkich fosfatydyloinozytoli [81]. Ka dy z fosfatydyloinozytoli wykazuje odmienn¹ dystrybucjê i koncentracjê w komórce. Badania nad tym zagadnieniem u³atwi³o w ostatnich latach zastosowanie sond rekombinowanych bia³ek fuzyjnych zbudowanych z domeny bia³kowej rozpoznaj¹cej specyficznie okreœlony fosfatydyloinozytol i z bia³ka fluorescencyjnego, np. GFP. Wykazano w ten sposób, e w komórkach spoczynkowych PI(4)P gromadzi siê w aparacie Golgiego, PI(3)P i PI(3,5)P 2 wystêpuj¹ przede wszystkim w b³onie endosomów, natomiast znajduje siê g³ównie w b³onie komórkowej [4, 18]. Lokalizacjê i PI(4)P w komórkach fibroblastów przy u yciu specyficznych sond bia³kowych ilustruje rycina 2. Uwa a siê, e akumulacja w b³onie komórkowej jest wynikiem aktywnoœci asocjuj¹cych z t¹ b³on¹ kinaz, które syntetyzuj¹. SYNTEZA mo e powstawaæ w wyniku dwóch niezale nych reakcji fosforylacji: katalizowanej przez PIP5-kinazy typu I (PIP5-kinazy I) fosforylacji PI(4)P w pozycji

4 346 E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA RYCINA 3. Synteza i aktywnoœæ b³ony komórkowej. G³ównym Ÿród³em jest fosforylacja PI(4)P katalizowana przez PIP5-kinazy typu I, a w mniejszym stopniu fosforylacja PI(5)P przez PIP4-kinazy typu II. moduluje aktywnoœæ wielu bia³ek efektorowych, wœród których dominuj¹ bia³ka cytoszkieletu aktynowego. Ponadto, jest te hydrolizowany przez fosfolipazy C i ulega fosforylacji katalizowanej przez PI3-kinazy I, staj¹c siê Ÿród³em IP 3, DAG i PI(3,4,5)P 3 FIGURE 3. The synthesis and activity of in the plasma membrane. is generated mainly by phosphorylation of PI(4)P catalyzed by the type I PIP5-kinases, and to less extent by phosphorylation of PI(5)P by the type II PIP4-kinases. modulates activity of many effector proteins among which proteins of the actin cytoskeleton prevail. Moreover, is hydrolyzed by phospholipases C and undergoes phosphorylation by PI3-kinases giving rise to IP 3, DAG and PI(3,4,5)P 3 C5 pierœcienia inozytolu lub w wyniku fosforylacji PI(5)P w pozycji C4 pierœcienia inozytolu z udzia³em PIP4-kinaz typu II (PIP4-kinaza II; ryc. 3). PIP5-kinazy I mog¹ tak e uczestniczyæ w alternatywnej syntezie fosforyluj¹c fosfatydyloinozytol do PI(5)P, który jest substratem PIP4-kinaz typu II. Ponadto mo e tak e powstawaæ w wyniku defosforylacji PI(3,4,5)P 3 przez fosfatazê PTEN. Reakcja ta s³u y zakoñczeniu procesów z udzia³em PI(3,4,5,)P 3, nie ustalono, w jakiej mierze PI(3,4,5,)P 3 jest Ÿród³em [62]. Zarówno PIP5-kinazy typu I, jak i PIP4 kinazy typu II wystêpuj¹ w trzech izoformach (a, b, g), zidentyfikowano te liczne warianty transkrypcyjne tych enzymów. Analiza sekwencji aminokwasowych wykaza³a wzajemne podobieñstwo kinaz obu typów, szczególnie w obrêbie domeny katalitycznej, i jednoczeœnie brak homologii sekwencji do innych kinaz lipidowych i bia³kowych (ryc. 4A). Wyj¹tkiem jest wspólna dla wszystkich enzymów przestrzenna organizacja fragmentów domeny katalitycznej tworz¹cych miejsca wi¹zania ATP i Mg 2+ [19]. Pomimo podobieñstwa, kinazy PIP5 i PIP4 maj¹ odmienn¹ funkcjê i lokalizacjê w komórce. PIP5-kinazy typu I wi¹ ¹ siê do b³ony komórkowej i cytoszkieletu aktynowego, wystêpuj¹ tak e w j¹drze i aparacie Golgiego i uczestnicz¹ w takich procesach komórkowych, jak: migracja, sekrecja, fagocytoza i regulacja aktywnoœci kana³ów jonowych [14, 19, 42, 54]. W przeciwieñstwie do kinaz typu I, PIP4-kinazy II nie uczestnicz¹ w reorganizacji cytoszkieletu aktynowego i nie asocjuj¹ z b³on¹ komórkow¹. Zlokalizowane s¹ przede wszystkim w j¹drze, cytoplazmie i retikulum endopazmatycznym, a ich fizjologiczna funkcja jest s³abo poznana. Kinazy te zaanga owane s¹ w szlaki sygna³owe receptora TNF p55, a te izoformy PIP4-kinazy II, które zlokalizowane

5 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 347 RYCINA 4. Porównanie budowy ludzkich PIP-kinaz typu I i II. (A) Schemat budowy ludzkiej PIP5- kinazy Ib i PIP4-kinazy IIb. Na schemacie zaznaczono domeny katalityczne PIP-kinaz o sekwencji zachowanej w ewolucji (kolor czarny), wstawki w obrêbie domen katalitycznych o zmiennej sekwencji (kolor ciemnoszary) oraz pozycjê tzw. pêtli aktywuj¹cej (kolor bia³y). (B) Porównanie sekwencji aminokwasowej pêtli aktywuj¹cych ludzkich izoform a, b i g PIP-kinaz I i II. Na ciemnym tle znajduj¹ siê aminokwasy zachowane w ewolucji w obrêbie wszystkich PIP-kinaz, jasnym t³em wyró niono aminokwasy, które s¹ zachowane w obrêbie kinaz typu I oraz w obrêbie kinaz typu II. Ramk¹ zaznaczono pozycjê aminokwasów odpowiedzialnych za specyficznoœæ substratow¹ kinaz, a gwiazdkami dwie reszty lizyny uczestnicz¹ce w wi¹zaniu PIP5-kinaz typu I do b³ony komórkowej FIGURE 4. The comparison of the structure of the type I and type II PIP-kinases. (A) The structure of human PIP5-kinase I and PIP4-kinase II. Marked are evolutionarily conserved catalytic domains of PIPkinases (black), nonconserved inserts in the catalytic domains (dark grey) and activation loops (white). (B) The alignment of amino acid sequences of the activation loops of human isoforms a, b, and g of PIPkinases I and II. Dark grey shading indicates amino acids evolutionarily conserved in all PIP-kinases, light grey shading shows amino acids conserved among each PIP-kinase type. Amino acids responsible for the substrate specificity are outlined by a box while asterisks point to two lysine residues which participate in binding of the type I PIP5-kinases to the plasma membrane s¹ w j¹drze, podobnie jak j¹drowe kinazy typu I, uczestnicz¹ w ekspresji genów, dojrzewaniu i transporcie mrna do cytoplazmy [57, 95]. Z uwagi na du e stê enie PI(4)P, a niskie PI(5)P w komórkach (ten ostatni stanowi oko³o 2% wszystkich fosfatydyloinozytolo-monofosforanów) [69], wydaje siê, e powstaje g³ównie w wyniku aktywnoœci PIP5-kinaz typu I. Trzy izoformy PIP5-kinazy typu I s¹ produktami odrêbnych genów. Ludzka i mysia PIP5-kinaza Ia i Ib zosta³y sklonowane w jednym czasie przez dwa zespo³y i zyska³y przeciwstawne nazwy; ludzka izoforma a jest mysi¹ izoform¹ b i odwrotnie [35, 51]. W niniejszej pracy stosowana jest terminologia zaproponowana przez zespó³ Andersona dla ludzkich kinaz fosfatydyloinozytoli. PIP5-kinaza Ia i Ib wystêpuj¹ w kilku wariantach transkrypcyjnych i s¹ bia³kami o masie cz¹steczkowej oko³o 68 kda. PIP5-kinaza Ig równie ma warianty transkrypcyjne, które koduj¹ bia³ka o

6 348E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA masie cz¹steczkowej 87, 90 i 93 kda [35]. Wszystkie izoformy PIP5-kinaz typu I wykazuj¹ wysokie podobieñstwo sekwencji aminokwasowej w obrêbie domeny katalitycznej, z³o onej z aminokwasów. W obrêbie koñca C domeny katalitycznej PIP5-kinaz typu I zidentyfikowana zosta³a 25-aminokwasowa sekwencja o kluczowym znaczeniu dla rozpoznawania PI(4)P jako substratu tych enzymów, jak równie dla ich asocjacji z b³on¹ komórkow¹ [44, 45]. Podobny motyw zosta³ te zidentyfikowany w PIP4-kinazach typu II (ryc. 4A), a szczegó³owa analiza tej sekwencji wykaza³a, e topologicznie nawi¹zuje ona do pêtli aktywuj¹cej kinaz bia³kowych [70]. Badania prowadzone nad pêtl¹ aktywuj¹c¹ PIP5-kinazy Ib wykaza³y, e dwie s¹siaduj¹ce reszty lizyny zlokalizowane w jej obrêbie pe³ni¹ istotn¹ rolê w interakcji kinazy z b³on¹ komórkow¹ (ryc. 4B). Aminokwasy te przypuszczalnie oddzia³uj¹ elektrostatycznie z ujemnie na³adowanymi fosfolipidami b³ony. Stwierdzono bowiem, e zamiana wspominanych dwóch reszt lizyny w pêtli aktywuj¹cej PIP5-kinazy Ib na reszty asparaginy, ale nie na reszty zasadowej argininy, sprawi³a, e PIP5-kinaza Ib traci³a zdolnoœæ do wi¹zania siê z b³on¹ komórkow¹ [44]. Omawiany motyw dwulizynowy jest jednak wspólny dla wszystkich PIP-kinaz [70] (ryc. 4B, gwiazdki) i dlatego jego wy³¹czny udzia³ nie t³umaczy wybiórczej interakcji PIP5-kinaz klasy I z b³on¹ komórkow¹. Czêœciow¹ odpowiedÿ na pytanie o mechanizm takiej wybiórczoœci da³a dalsza analiza mutantów pêtli aktywuj¹cej PIP5-kinazy Ib i PIP4-kinazy IIb. Wymiana ca³ej pêtli pomiêdzy obu kinazami prowadzi³a do jednoczesnej zmiany specyficznoœci substratowej i lokalizacji kinaz-chimer w komórce: PIP5-kinaza Ib z pêtl¹ kinazy PIP4-IIb fosforylowa³a PI(5)P, a nie PI(4)P, i stawa³a siê bia³kiem cytoplazmatycznym. W³aœciwoœci przeciwstawne zyskiwa³a PIP4-kinaza IIb z pêtl¹ aktywuj¹c¹ kinazy PIP5 Ib [44]. Podobn¹ zmianê specyficznoœci substratowej obu kinaz osi¹gniêto w wyniku lustrzanej mutacji pojedynczego aminokwasu, to jest wymiany reszty kwasu glutaminowego na resztê alaniny w pozycji 362 (E362A) w PIP-5 kinazie Ib oraz wymiany reszty alaniny w pozycji 381 na resztê kwasu glutaminowego (A381E) w PIP4-kinazie IIb (ryc. 4B, aminokwasy oznaczone ramk¹). Ponadto, E362A mutant PIP5-kinazy Ib, który preferowa³ PI(5)P jako substrat, w niewielkim stopniu wi¹za³ siê do b³ony komórkowej i wystêpowa³ g³ownie w cytoplazmie [45]. Te dane mog³y sugerowaæ, e wi¹zanie PI(4)P obecnego w b³onie komórkowej przez PIP5-kinazy I determinuje zarówno specyficznoœæ substratow¹ PIP5-kinaz typu I, jak i ich interakcjê z b³on¹ komórkow¹. Tezê tê podwa y³ jednak fakt, e opisany wy ej A381E mutant PIP4-kinazy IIb, pomimo efektywnego wi¹zania PI(4)P i jego fosforylacji do PI(4,5)P2 in vitro, nie asocjowa³ z b³on¹ komórkow¹ [45]. Wydaje siê wiêc, e interakcja enzymu z PI(4)P jest co prawda wymagana, ale niewystarczaj¹ca, aby umo liwiæ wi¹zanie PIP5-kinaz klasy I z b³on¹ komórkow¹. Interesuj¹cych danych na temat mechanizmów asocjacji PIP5-kinaz typu Ia z b³on¹ komórkow¹ dostarczaj¹ najnowsze wyniki, w œwietle których czynnikiem wspó³odpowiedzialnym za wi¹zanie PIP5-kinazy Ia do b³ony jest produkt jej aktywnoœci. Wykazano, e rekombinowana PIP5-kinaza Ia z metk¹ GST wi¹ e zarówno PI(4)P i in vitro [38, 80]. Wychwycenie w komórkach przez nadprodukowan¹, egzogenn¹ domenê PH fosfolipazy C (bia³ko

7 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 349 RYCINA 5. Synteza z udzia³em PIP5-kinaz typu I. PIP5-kinazy I wi¹ ¹ siê do miejsc docelowych w komórce m.in. dziêki oddzia³ywaniom z PI(4)P i. Aktywnoœæ enzymatyczna PIP5-kinaz I kontrolowana jest przez monomeryczne GTPazy, kwas fosfatydowy oraz fosforylacjê reszt serynowych. Produkt aktywnoœci PIP5-kinaz I,, wi¹ e siê z ró norodnymi bia³kami efektorowymi i jest Ÿród³em wtórnych przekaÿników, uczestnicz¹c w szerokim spektrum procesów komórkowych FIGURE 5. The synthesis of by the type I PIP5-kinases. PIP5-kinases I localize to distinct sites in cells, among others due to binding to PI(4)P and. The enzymatic activity of PIP5- kinases I is regulated by small G proteins, phosphatidic acid and phosphorylation of kinase serine residues. The product of PIP5-kinases activity,, binds to various effector proteins and gives rise to secondary messengers participating in a wide array of cellular functions scharakteryzowane w dalszej czêœci pracy) powoduje wyparcie PIP5-kinazy Ia z b³ony komórkowej i obni enie poziomu w komórkach [80]. Przypuszczalnie, za wi¹zanie PIP5-kinazy Ia do mo e byæ odpowiedzialny C-koñcowy fragment domeny katalitycznej enzymu, zawieraj¹cy wspomnian¹ wy ej pêtlê aktywuj¹c¹. Wykazano, e fragment ten otrzymany jako rekombinowane bia³ko C GST, wi¹ e trzykrotnie razy silniej ni PI(4)P [79]. Poza podobieñstwem w strukturze domen katalitycznych, koñce N i C trzech izoform PIP5-kinazy typu I nie wykazuj¹ homologii sekwencji i przypuszczalnie (oddzia³uj¹c z innymi bia³kami?) zaanga owane s¹ w regulacjê aktywnoœci enzymatycznej oraz indywidualnej dla ka dej z izoform funkcji w komórce [40]. Izoforma a PIP5-kinazy I wi¹ e siê z b³on¹ komórkow¹ w odpowiedzi na stymulacjê receptorów i zaanga owana jest w szereg procesów z udzia³em cytoszkieletu aktynowego, takich jak: migracja komórki, fagocytoza oraz tzw. ruffling b³ony komórkowej [14, 20, 42]. Wykazano te jej obecnoœæ w j¹drze komórkowym [56]. PIP5-kinaza Ib uczestniczy w procesach endocytozy oraz gromadzi siê w pêcherzykach cytoplazmatycznych w pobli u j¹dra [64]. Wœród trzech izoform PIP5-kinazy Ig, PIP5-kinaza Ig87 jest elementem œcie ek sygna³owych receptorów sprzê onych z trimerycznymi bia³kami G. Natomiast PIP5- kinaza Ig90 akumuluje siê w miejscach adhezji komórek do substratu oraz synapsach komórek nerwowych, a PIP5-kinaza Ig93 jest zaanga owana w formowanie wypustek komórek nerwowych [17, 24, 58, 88]. Jak przedstawiono na rycinie 5, aktywnoœæ PIP5-kinaz typu I jest kontrolowana przez wiele czynników, wœród których zidentyfikowano monomeryczne GTPazy z rodziny Rho i Arf6. GTPazy te mog¹ te braæ udzia³ w wi¹zaniu PIP5-kinaz I z b³on¹ komórkow¹

8 350 E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA [1, 20, 63]. Regulatorem aktywnoœci PIP5-kinaz I jest te kwas fosfatydowy (PA). PA powstaje w wyniku fosforylacji diacyloglicerolu (DAG), dlatego te kinaza DAG (izoforma x) jest jednym z enzymów stymuluj¹cych aktywnoœæ PIP5-kinazy Ia [52]. Ponadto, PA jest te produktem hydrolizy fosfatydylocholiny przez fosfolipazê D (PLD). Fosfolipazy D s¹ aktywowane przez, ponadto PLD1 jest aktywowana przez GTPazy Rho i Arf6. Ta wzajemna stymulacja PIP5-kinaz I i PLD oraz regulacja aktywnoœci obu tych enzymów przez monomeryczne GTPazy wskazuje na istnienie z³o onego mechanizmu szybkiej i lokalnej syntezy w komórce opartej na aktywuj¹cej pêtli zwrotnej [62]. Ponadto, autofosforylacja lub fosforylacja PIP-kinazy I z udzia³em kinazy bia³kowej A zachodz¹ca na reszcie seryny zlokalizowanej w miejscu wi¹zania substratu obni a aktywnoœæ katalityczn¹ tej kinazy [36, 65, 91]. ROZMIESZCZENIE W B ONIE KOMÓRKOWEJ I JEGO FUNKCJE Czasowa i przestrzenna regulacja syntezy mo e sprzyjaæ powstawaniu mikroskupieñ w p³aszczyÿnie b³ony komórkowej. Wyodrêbnianie siê mikroskupieñ jest te prawdopodobnie wspomagane poprzez ograniczon¹ dyfuzjê lateraln¹ tego lipidu w p³aszczyÿnie b³ony wymuszon¹ poprzez oddzia³ywania elektrostatyczne z wybranymi bia³kami cytoszkieletu podb³onowego, bli ej scharakteryzowanymi w nastêpnym rozdziale. Obecnoœæ wielu odrêbnych puli w b³onie komórkowej mo e byæ czynnikiem u³atwiaj¹cym wielofunkcyjnoœæ tego lipidu [31, 37]. Obserwacje mikroskopowe dostarczaj¹ jednak sprzecznych danych na temat rozmieszczenia PI(4,5) 2 w b³onie komórkowej. Analiza ultrastrukturalna oraz badania prowadzone technik¹ przeniesienia energii fluorescencji FRET z zastosowaniem sondy bia³kowej swoistej wobec po³¹czonej z bia³kami fluorescencyjnymi CFP i YFP przecz¹ istnieniu mikroskupieñ tego lipidu w b³onie [46, 85, 89]. Z drugiej strony, szereg innych doniesieñ wskazuje na obecnoœæ mikroskupieñ w b³onie komórkowej zarówno komórek spoczynkowych, jak i aktywowanych i asocjacjê tych skupisk z tzw. tratwami lipidowymi (ang. rafts), czyli mikrodomenami b³ony komórkowej wzbogaconymi w sfingolipidy i cholesterol [26, 34, 47, 66]. Za obecnoœci¹ w obrêbie wspomnianych mikrodomen przemawiaj¹ takie dowody, jak: wspó³wystêpowanie skupisk z glikolipidem GM1, sk³adnikiem tratw lipidowych, ich wra liwoœæ na ekstrakcjê cholesterolu, a tak e fakt, e wystêpuj¹ce w du ym stê eniu w komórkach acylowane bia³ka MARCKS i GAP-43 wi¹ ¹ i mog¹ uczestniczyæ w asocjacji z mikrodomenami [47, 66, 83]. Postuluje siê, e mikrodomeny sfingolipidowocholesterolowe funkcjonuj¹ w komórce jako miejsca transdukcji sygna³u wybranych receptorów, do których nale ¹ immunoreceptor FcgIIA, receptory antygenowe limfocytów T i B (TCR i BCR) oraz receptor ligandu Fas inicjuj¹cy apoptozê [9, 23, 27, 33]. Na obecnoœæ w obrêbie mikrodomen sfingolipidowo-cholesterolowych wskazuj¹ te wyniki badañ biochemicznych, w których analizowano sk³ad lipidowy frakcji komórkowych otrzymywanych w wyniku ultrawirowania detergentowych lizatów komórek. Ze uwagi na nierozpuszczalnoœæ w detergentach niejonowych, takich jak Triton

9 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 351 X-100, i wysok¹ zawartoœæ lipidów, sfingolipidowo-cholesterolowe mikrodomeny b³ony komórkowej izolowane s¹ w trakcie ultrawirowania jako frakcje o niskiej gêstoœci w³aœciwej, tzw. frakcje DRM (ang. Detergent Resistant Membrane). Stwierdzono, e wzbogacony by³ we frakcjach DRM izolowanych z p³ytek krwi, ludzkich monocytów linii U937, komórek neuroblastomy linii Neuro2 i komórek nab³onkowych linii MDCK [7, 68, 79]. We frakcji DRM komórek nab³onkowych linii A431 wykazano te wzbogacenie fosfatydyloinozytolu i PI(4)P oraz PI4-kinazy, sugeruj¹c, e mikrodomeny mog¹ byæ centrum syntezy ró nych fosfatydyloinozytoli w b³onie komórkowej [72, 90]. Za t¹ tez¹ przemawiaj¹ dane wskazuj¹ce na istnienie puli PIP5-kinazy I w obrêbie frakcji DRM izolowanej z monocytów linii U937 [79]. Wykazano te, e aktywacji receptora FcgRIIa w komórkach linii BHK ze stabiln¹ ekspresj¹ tego receptora towarzyszy rekrutacja PIP5-kinazy I do b³ony komórkowej, której pulê identyfikowano razem z aktywowanym receptorem FcgIIa we frakcji DRM. Proces ten by³ skorelowany ze wzrostem poziomu w obrêbie frakcji DRM, który monitorowano za pomoc¹ specyficznej sondy bia³kowej (PLC-PH-GFP) [79], omówionej poni ej. Badania ultrastrukturalne nad lokalizacj¹ w czasie aktywacji receptora FcgIIa, przeprowadzone na fragmentach natywnych b³on komórkowych wykaza³y, e obecny jest na obrze ach struktur elektronowo-gêstych, obrazuj¹cych przypuszczalnie konglomeraty mikrodomen powstaj¹ce w czasie aktywacji receptora [76, 79, 92]. Jak wspomniano, rola jako lipidu sygna³owego wynika z faktu, e jego metabolizm zwi¹zany jest z generacj¹ trzech przekaÿników drugiego rzêdu (ryc. 3). Hydroliza katalizowana przez fosfolipazy C (PLC) prowadzi do powstania inozytolo-1,4,5-trisfosforanu (IP 3 ) i DAG, które indukuj¹ odpowiednio, wewn¹trzkomórkowy wyrzut jonów Ca 2+ z retikulum endoplazmatycznego oraz aktywacjê enzymów asocjuj¹cych z DAG w b³onie komórkowej, np. kinazy bia³kowej C. Dalsza fosforylacja DAG przez kinazê diacyloglicerolu prowadzi do powstania PA, który ze wzglêdu na swoje w³aœciwoœci (ma³a polarna g³owa oraz d³ugie reszty kwasów t³uszczowych) przypuszczalnie uczestniczy w zakrzywianiu b³ony komórkowej, co jest istotne np. podczas wysuwania pseudopodiów oraz tworzenia fagosomu w czasie fagocytozy. PA jest tak e aktywatorem licznych enzymów m.in. PIP5-kinazy I, stymuluj¹c lokaln¹ syntezê w drodze pozytywnego sprzê enia zwrotnego [15, 93]. W wyniku fosforylacji katalizowanej przez PI3-kinazê powstaje PI(3,4,5)P 3. W komórkach spoczynkowych lipid ten wystêpuje w œladowych iloœciach, natomiast jego nag³a synteza jest obserwowana miêdzy innymi w czasie migracji komórek i fagocytozy [28, 93]. Temat roli wtórnych przekaÿników sygna³u jest podejmowany w licznych artyku³ach przegl¹dowych [11, 41, 59, 82], tak e polskojêzycznych [5, 6, 77] i nie bêdzie szczegó³owo omawiany w niniejszej pracy. Wed³ug hipotezy Cantleya [10], synteza wtórnych przekaÿników z udzia³em jest jednak stosunkowo m³od¹ ewolucyjnie adaptacj¹ Eukaryota w stosunku do wyjœciowej roli jako lipidowej kotwicy uczestnicz¹cej w wi¹zaniu licznych bia³ek b³onowych i cytoplazmatycznych (ryc. 3). Wi¹zanie bia³ek do wywo³uje zmianê ich konformacji i aktywnoœci, wp³ywaj¹c ostatecznie na procesy zachodz¹ce z udzia³em tych bia³ek. Wœród bia³ek, których aktywnoœæ zale y od, s¹ integralne bia³ka b³ony komórkowej o charakterze pomp lub kana³ów.

10 352 E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA Zale noœæ tê wykazano dla ponad 20 bia³ek transportowych, a wœród nich kana³ów dla jonów potasu zale nych od ATP (K ATP ), pompy Na + /Ca 2+ (NCX1) i pompy Na + /H + (NHE1-4) [28, 62]. Ponadto, u³atwia asocjacjê z b³on¹ komórkow¹ szeregu bia³ek cytoplazmatycznych, takich jak np. PLd oraz bia³ka AP2 i dynaminy, które uczestnicz¹ w endocytozie. Najliczniejsz¹ i najlepiej poznan¹ grup¹ bia³ek, których lokalizacja i aktywnoœæ zale ¹ od, s¹ bia³ka cytoszkieletu aktynowego. Moduluj¹c ich aktywnoœæ kontroluje wszystkie aspekty organizacji cytoszkieletu aktynowego. Wœród nich s¹ bia³ka z rodziny WASP/NWASP, bêd¹ce bia³kami efektorowymi monomerycznych GTPaz: Rac i Cdc42. Oddzia³uj¹c z domen¹ WH1 (ang. WASP homology 1 domain) bia³ka WASP, powoduje zmianê konformacyjn¹ tego bia³ka, co prowadzi do ods³oniêcie C-terminalnego fragmentu WASP wi¹ ¹cego z kolei bia³ka Arp2/3. Powsta³y kompleks bia³kowy WASP-Arp2/3 u³atwia polimeryzacjê aktyny de novo. uczestniczy tak e w procesie wyd³u ania istniej¹cych filamentów aktynowych poprzez regulacjê aktywnoœci elzoliny i bia³ka CapG. Po zwi¹zaniu bia³ka te oddysocjowuj¹ od filamentów aktynowych, ods³aniaj¹c ich koniec + (koniec filamentu, z którym asocjuj¹ monomery aktyny), umo liwiaj¹c wyd³u anie mikrofilamentów. Inne bia³ko, profilina, pod wp³ywem uwalniania sekwestrowane przez ni¹ monomery aktyny. Ponadto kontroluje te aktywnoœæ a-aktyniny, bia³ka sieciuj¹cego filamenty aktynowe. Poza tym wp³ywa na asocjacjê mikrofilamentów z b³on¹ komórkow¹ poprzez modulacjê aktywnoœci takich bia³ek, jak: winkulina, talina i bia³ka z rodziny ERM [75, 81, 94]. Ta ostatnia z funkcji zosta³a potwierdzona przez zespó³ Rauchera [71], który obserwowa³, e w wyniku obni enia poziomu w komórkach dochodzi do os³abienia oddzia³ywania pomiêdzy b³on¹ komórkow¹ a cytoszkieletem, a w rezultacie do zmiany kszta³tu komórek i ich odrywania od pod³o a. Ostatnie doniesienia wskazuj¹ tak e, e regulacyjna rola nie ogranicza siê do cytoszkieletu aktynowego. Stwierdzono, e w krawêdzi wiod¹cej migruj¹cej komórki uczestniczy w stabilizacji koñca + mikrotubul, stoj¹c na przeciêciu œcie ek kontroluj¹cych udzia³ mikrotubul i filamentów aktynowych w migracji komórek [26]. Ponadto, szereg prac wskazuje na istnienie j¹drowej puli uczestnicz¹cej w obróbce posttranskrypcyjnej RNA [39, 57, 61]. DOMENY BIA KOWE WI CE Wi¹zanie bia³ek do fosfatydyloinozytoli jest wynikiem oddzia³ywañ elektrostatycznych pomiêdzy ujemnym ³adunkiem reszt fosforanowych pierœcienia inozytolu lipidów a dodatnio na³adowanymi resztami aminokwasowymi bia³ek. Powierzchnia bia³ka, która oddzia³uje z fosfatydyloinozytolami, mo e zawieraæ odcinek bogaty w aminokwasy zasadowe b¹dÿ stanowiæ globularny modu³ bia³kowy, którego struktura trzeciorzêdowa decyduje o stereospecyficznej interakcji z polarn¹ g³ówk¹ fosfatydyloinozytolu. Liczba odkrytych ustrukturyzowanych domen bia³kowych wi¹ ¹cych

11 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 353 fosfatydyloinozytole stale roœnie i obecnie obejmuje m.in. domeny: FYVE (ang. Fab1, YGLO23, Vps27, EEA1), PX (ang. Phox Homology domain), PH (ang. Pleckstrin Homology domain), ANTH (ang. AP-180 N-Terminal Homology domain) ENTH (ang. Epsin N-Terminal Homology domain), Tubby i FERM (z ang. 4.1-ezrin/radixin/moesin) [3, 48]. Wiêkszoœæ zidentyfikowanych do tej pory motywów preferencyjnie wi¹ e fosfatydyloinozytole ufosforylowane w pozycji 3 pierœcienia inozytolu, takich jak: PI(3,4)P 2 i PI(3,4,5)P 2 [94]. Do domen wi¹ ¹cych nale ¹ domeny PH, FERM oraz ANTH i ENTH [29,32]. Domena PH zosta³a po raz pierwszy zidentyfikowana w plekstrynie, bia³ku p³ytek krwi [30]. Obecnie wykryto szereg homologicznych domen w ponad 100 bia³kach sygna³owych, takich jak: kinazy bia³kowe, czynniki wymiany nukleotydów (GEF) ma³ych GTPaz (np. bia³ko Vav), fosfolipazy Cd, b, g i h oraz w wielu bia³ek cytoszkieletalnych [3, 13, 28]. Domena PH to modu³ bia³kowy zbudowany z oko³o 120 aminokwasów o doœæ niskiej homologii sekwencji, ale zachowanej ewolucyjnie strukturze trzeciorzêdowej. Budowa domeny PH przypomina kieszeñ, w której ³añcuchy boczne argininy i lizyny wi¹ ¹ grupy fosforanowe przy³¹czone do pierœcienia inozytolowego fosfatydyloinozytoli. Wiêkszoœæ domen PH zidentyfikowanych do tej pory wykazuje ma³e powinowactwo do (K D» 10 mm) i mo e te tworzyæ wi¹zania z innymi fosfatydyloinozytolami [21, 49, 60]. Niejednokrotnie si³a tworzonych wi¹zañ jest zbyt niska, by stabilnie zakotwiczyæ bia³ko przy b³onie. Nie jest wykluczone, e w takich sytuacjach inkorporacja czêœci hydrofobowej domeny PH w dwuwarstwê b³ony i/lub oligomeryzacja bia³ka wzmacnia jego wi¹zanie z fosfatydyloinozytolami. Tak jest w przypadku zaanga owanego w proces endocytozy bia³ka dynaminy, które wi¹ e oligomeryzuj¹c u podstawy tworzonego pêcherzyka, a tak e spektryny wi¹ ¹cej w aparacie Golgiego [60]. Unikatowa pod tym wzglêdem domena PH fosfolipazy Cd1 wykazuje wysokie powinowactwo do (K D = 1,2 mm) [56] i wybiórczo rozpoznaje tylko ten fosfatydyloinozytol oraz jego deacylowan¹, cytoplazmatyczn¹ pochodn¹ IP 3 [12, 50]. Natomiast domeny PH bia³ek Fapp1 oraz Grp1 wi¹ ¹ specyficznie PI(4)P oraz PI(3,4,5)P 3 [21]. Obie te domeny znalaz³y zastosowanie w badaniach nad rol¹ fosfatydyloinozytoli w procesach komórkowych [25, 28, 93]. Wykorzystuj¹c du e powinowactwo i specyficznoœæ wi¹zania domeny PH fosfolipazy Cd1 do skonstruowano bia³ko fuzyjne zbudowane z tej domeny po³¹czonej z GFP (PLC-PH-GFP). Powsta³a sonda u yta by³a do przy yciowych badañ mikroskopowych nad lokalizacj¹ w komórce (ryc. 2A) i procesami zachodz¹cymi z udzia³em, takimi jak endocytoza receptorowa i fagocytoza zale na od receptorów Fcg [8, 86]. W badaniach nad fagocytoz¹ zastosowanie sondy PLC-PH- GFP w przy yciowej mikroskopii konfokalnej pozwoli³o wykryæ dynamikê zmian poziomu towarzysz¹cych internalizacji cz¹stki. Wykazano, e gromadzi siê przejœciowo w wysuwaj¹cych siê pseudopodiach kubka fagocytarnego obejmuj¹cego cz¹stkê. Wraz z postêpuj¹c¹ internalizacj¹ cz¹stki, lipid ten ulega przemianom, o czym œwiadczy stopniowy zanik znakowania b³ony przez bia³ko PLC-PH-GFP u podstawy tworzonego kubka fagocytarnego. Zmniejszenie iloœci w b³onach fagosomu

12 354 E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA mo e byæ zwi¹zane z jego hydroliz¹ przez PLCg, co potwierdzono, dokonuj¹c jednoczesnej ekspresji domeny PH sprzê onej z CFP, niebieskim bia³kiem fluorescencyjnym (PLC-PH-CFP) oraz innego bia³ka wi¹ ¹cego DAG, skonstruowanego przy wykorzystaniu domeny C1 kinazy bia³kowej C sprzê onej z YFP, ó³tym bia³kiem fluorescencyjnym (PKC-C 1 -YFP). Wykazano w ten sposób, e dysocjacja PLC-PH- CFP od b³on formowanego fagosomu jest skorelowana z postêpuj¹c¹ i przejœciow¹ asocjacj¹ sondy PKC-C 1 -YFP odzwierciedlaj¹c¹ syntezê DAG [8, 74]. Poniewa hydroliza nie jest jedyn¹ drog¹ przemian tego lipidu, analizowano równie dynamikê asocjacji sond wi¹ ¹cych PI(3,4,5)P 3 z b³on¹ komórkow¹ w miejscu fagocytozy. Wykazano, e bia³ka wi¹ ¹ce PI(3,4,5,)P 3, takie jak Akt-PH-GFP i Gab1-PH-GFP, akumuluj¹ siê pod b³on¹ komórkow¹ w miejscu fagocytozy ju w pierwszej minucie od jej zapocz¹tkowania i oddysocjowuj¹ przed utworzeniem fagosomu [53]. Wyniki te potwierdzaj¹ wykazany wczeœniej udzia³ PI3-kinazy w wysuwaniu pseudopodiów, tj. we wczesnych etapach fagocytozy [2, 16]. Domenê FERM wi¹ ¹c¹ zidentyfikowano w rodzinie bia³ek ERM (ezryna/ radyksyna/moezyna) poœrednicz¹cych w interakcji cytoszkieletu aktynowego z b³on¹ komórkow¹. Domena ta sk³ada siê z oko³o 300 aminokwasów zorganizo-wanych w trzy motywy A-C, z których ostatni, C, przypomina budow¹ domenê PH. Analiza krystalograficzna radyksyny, jednego z bia³ek ERM, wykaza³a, e wnika w kieszeñ bogat¹ w aminokwasy zasadowe utworzon¹ przez motyw C oraz A [29]. Zwi¹zanie znosi wewn¹trzcz¹steczkowe auto-hamuj¹ce oddzia³y-wanie motywu C domeny FERM z C-terminalnym koñcem bia³ka, umo liwiaj¹c z jednej strony jego wi¹zanie do filamentów aktynowych, a z drugiej interakcjê z bia³kami integralnymi i b³ony komórkowej [3]. Podobnie, zmiana struktury wywo³ana wi¹zaniem niezbêdna jest do aktywacji bia³ek z rodziny WASP. W wi¹zaniu uczestniczy domena WH1, zbli ona w budowie do domeny PH, oraz sekwencja bogata w aminokwasy zasadowe bia³ka WASP [56]. Do zdefiniowanych motywów bia³kowych wi¹ ¹cych nale ¹ tak e domeny ANTH i ENTH, które zosta³y zidentyfikowane w bia³kach uczestnicz¹cych w tworzeniu pêcherzyków op³aszczonych klatryn¹, takich jak: bia³ko AP180, CALM i epsyna. Liczne bia³ka uczestnicz¹ce w reorganizacji cytoszkieletu, jak profilina i elzolina wi¹ ¹, za pomoc¹ krótkich (10 20 aminokwasów) sekwencji bogatych w aminokwasy zasadowe i hydrofobowe. W przypadku elzoliny zidentyfikowane zosta³y dwie takie sekwencje, jednak ka da z nich oddzielnie wykazywa³a jedynie s³abe wi¹zanie do, w przeciwieñstwie do ca³ego bia³ka, co wskazuje, e obie sekwencje niezbêdne s¹ do wi¹zania tego fosfolipidu [84]. Podobne krótkie sekwencje bogate w aminokwasy zasadowe wystêpuj¹ tak e w rodzinie bia³ek podb³onowych, do której nale ¹: GAP- 43 (ang. Growth Associated Protein), CAP-23 (ang. Cytoskeleton-Associated Protein) i MARCKS (ang. Myristoylated Alanine-Rich C Kinase Substrate). Bia³ka tej grupy maj¹ N-koñcow¹ modyfikacjê lipidow¹ w postaci reszty kwasu mirystynowego b¹dÿ palmitynowego, która umo liwia ich zakotwiczenie w b³onie. W bezpoœrednim s¹siedztwie reszty acylowej zlokalizowana jest tzw. domena efektorowa wi¹ ¹ca fosfolipidy, kalmodulinê i filamenty aktynowe. W obrêbie tej domeny znajduje siê te miejsce fosforylacji przez kinazê bia³kow¹ C. Jak wykaza³y badania biofizyczne, jedna

13 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 355 cz¹steczka bia³ka MARCKS wi¹ ¹c trzy cz¹steczki wymusza formowanie mikroskupieñ tego lipidu w b³onie [22]. GAP-43 jako bia³ko zlokalizowane w obrêbie mikrodomen sfingolipidowo-cholesterolowych mo e dodatkowo u³atwiaæ akumulacjê w ich obrêbie [83]. Uwa a siê, e bia³ka typu MARCKS i GAP-43 sekwestruj¹ w komórkach spoczynkowych, i ods³aniaj¹ ten lipid w czasie aktywacji komórki oddysocjowuj¹c od b³ony komórkowej w wyniku fosforylacji i zwi¹zania Ca 2+ /kalmoduliny. Uwolniony mo e byæ wi¹zany przez inne bia³ka lub stawaæ siê substratem dla PLC [55, 73]. UWAGI KOÑCOWE Przedstawiony powy ej przegl¹d najnowszych doniesieñ na temat potwierdza tezê o kluczowej roli tego lipidu w modulowaniu aktywnoœci szeregu bia³ek b³ony komórkowej i cytoszkieletu podb³onowego. Badania te poszerzy³y nasze spojrzenie na komórkowe funkcje, zdominowane czêsto przez pogl¹d, e lipid ten jest przede wszystkim Ÿród³em przekaÿników drugiego rzêdu generowanych w wyniki aktywacji szerokiego spektrum receptorów obecnych w b³onie komórkowej. Wydaje siê, e wszechstronnoœæ mo liwa jest dziêki istnieniu lokalnych skupieñ tego lipidu i interakcji z bia³kami podb³onowymi. Jednym ze sposobów zapewnienia heterogennego rozmieszczenia w obrêbie b³ony komórkowej mo e byæ skupianie siê tego lipidu, a tak e PIP5-kinaz typu I syntetyzuj¹cych, w obrêbie sfingolipidowo-cholesterolowych mikrodomen b³ony komórkowej. Taki scenariusz otwiera pytania o mechanizmy reguluj¹ce aktywnoœæ i lokalizacjê PIP5-kinaz typu I w komórce, które znamy tylko fragmentarycznie. Nowe perspektywy w badaniach nad funkcjami (i innych lipidów) w komórce otworzy³o wykrycie ustrukturyzowanych domen bia³kowych oddzia³uj¹cych specyficznie z lipidami. Rekombinowane bia³ka powsta³e z po³¹czenia takich domen i bia³ek fluorescencyjnych sta³y siê wyrafinowanym narzêdziem badawczym stosowanym coraz czêœciej w przy yciowej mikroskopii konfokalnej. LITERATURA [1] AIKAWA Y, MARTIN TF. ADP-ribosylation factor 6 regulation of phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate synthesis, endocytosis, and exocytosis. Methods Enzymol 2005; 404: [2] ARAKI N, JOHNSON MT, SWANSON JA. A role for phosphoinositide 3-kinase in the completion of macropinocytosis and phagocytosis by macrophages. J Cell 1996; 135: [3] BALLA T. Inositol-lipid binding motifs: signal integrators through protein-lipid and protein-protein interactions. J Cell Sci 2005; 118: [4] BALLA T, VARNAI P. Visualizing cellular phosphoinositide pools with GFP-fused protein-modules. Sci STKE 2002; 125: [5] BARAÑSKA J. Udzia³ pochodnych inozytoli w przekazywaniu informacji. Molekularne mechanizmy przekazywania sygna³ów w komórce. Liliana Konarska (red.) Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 1995:

14 356 E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA [6] BARAÑSKA J, CZAJKOWSKI R, CZARNY M, SABA A P, WIKTOREK M. Przekazywanie informacji w komórce. Fosfolipidy jako cz¹steczki sygna³owe. Post Biochem 1996: 42: [7] BODIN S, GIURIATO S, RAGAB J, HUMBEL BM, VIALA C, VIEU C, CHAP H, PAYRASTRE B. Production of phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate and phosphatidic acid in platelet rafts: evidence for a critical role of cholesterol-enriched domains in human platelet activation. Biochem 2001; 40: [8] BOTELHO RJ, TERUEL M, DIERCKMAN R, ANDERSON RGW, WELLS A, ZORK JD, MEYER T, GRINSTEIN S. Localized biphasic changes in phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate at sites of phagocytosis. J Cell Biol 2000; 151: [9] CABALLERO A, KATKERE B, WEN XY, DRAKE L, NASHAR TO, DRAKE JR. Functional and structural requirements for the internalization of distinct BGR-ligand complexes. Eur J Immunol 2006; 36: [10] CANTLEY LC. Transcription. Translocating tubby. Science 2001; 292: [11] CHALHOUB N, BAKER SJ. PTEN and the PI3-Kinase Pathway in Cancer. Annu Rev Pathol 2008; 4: [12] CIFUENTES ME, DELANEY T, REBECCHI MJ. D-myo-inositol -1,4,5-trisphosphate inhibits binding of phospholipase C-d 1 to bilayer membranes. J Biol Chem 1994; 269: [13] COCKCROFT S. The latest phospholipase C, PLCeta, is implicated in neuronal function. Trends Biochem Sci 2006; 31: 4 7. [14] COPPOLINO MG, DIERCKMAN R, LOIJENS J, COLLINS RF, POULADI M, JONGSTRA-BILEN J, SCHREIBER AD, TRIMBLE WS, ANDERSON R, GRINSTEIN S. Inhibition of phosphatidylinositol-4- phosphate 5-kinase Ia impairs localized actin remodeling and suppresses phagocytosis. J Biol Chem 2002; 277: [15] CORROTTE M, CHASSEROT-GOLAZ S, HUANG P, DU G, KTISTAKIS NT, FROHMAN MA, VITALE N, BADER MF, GRANT NJ. Dynamics and function of phospholipase D and phosphatidic acid during phagocytosis. Traffic 2006; 7: [16] COX D, BERG JS, CAMMER M, CHINEGWUNDOH JO, DALE BM, CHENEY RE, GREENBERG S. Myosin X is a downstream effector of PI(3)K during phagocytosis. Nat Cell Biol 2002; 4: [17] DI PAOLO G, PELLEGRINI L, LETINIC K, CESTRA G, ZONCU R, VORONOV S, CHANG S. Recruitment and regulation of phosphatidylinositol phosphate kinase type Ig by the FERM domain of talin. Nature 2002; 420: [18] DI PAOLO G, DE CAMMILI P. Phosphoinositides in cell regulation and membrane dynamics. Nature Rev 2006; 10: [19] DOUGHMAN RL, FIRESTONE RL, ANDERSON RA. Phosphatidylinositol phosphate kinases put in its place. J Membr Biol 2003; 194: [20] DOUGHMAN RL, FIRESTONE AJ, WOJTASIAK ML, BUNCE MW, ANDERSON RA. Membrane ruffling requires coordination between type I phosphatidylinositol phosphate kinase and Rac signaling. J Biol Chem 2003; 278: [21] DOWLER S, CURRIE RA, CAMPBELL DG, DEAK M, KULAR G, DOWNES CP, ALESSI DR. Identification of pleckstrin-homology-domain-containing proteins with novel phosphoinositide-binding specificities. Biochem J 2000; 351: [22] GAMBHIR A, HANGYAS-MIHALYNE G, ZAITSEVA I, CAFISO DS, WANG J, MURRAY D, PENTY- ALA SN, SMITH SO, MCLAUGHLIN S. Electrostatic sequestration of PIP 2 on phospholipid membranes by basic/aromatic regions of proteins. Biophys J 2004; 86: [23] GARCIA-GARCIA E, BROWN EJ, ROSALES C. Transmembrane mutations to FcgRIIA alter its association with lipid rafts: implications for receptor signaling. J Immunol 2007; 178: [24] GIUDICI ML, EMSON PC, IRVINE RF. A novel neuronal-specific splice variant of Type I phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase isoform g. Biochem J 2004; 379: [25] GODI A, DI CAMPLI A, KONSTANTAKOPOULOS A, DI TULLIO G, ALESSI DR, KULAR GS, DANIELE T, MARRA P, LUCOCQ JM, DE MATTEIS MA. FAPPs control Golgi -to-cell-surface membrane traffic by binding to ARF and PtdIns(4)P. Nat Cell Biol 2004; 6: [26] GOLUB T, CARONI P. -dependent microdomain assemblies capture microtubules to promote and control leading edge motility. J Cell Biol 2005; 169: [27] GRASMME H, JEKLE A, RIEHLE A, SCHWARTZ A, BERGER J, SANDHOFF K, KOLESNIK R, GULBINS. CD95 signaling via ceramide rich membrane rafts. J Biol Chem 2001; 276: [28] HALET G. Imaging phosphoinositide dynamics using GFP-tagged protein domains. Biol Cell 2005; 97:

15 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 357 [29] HAMADA K, SHIMIZU T, MATSUI T, TSUKITA S, HAKOSHIMA T. Structural basis of the membranetargeting and unmasking mechanism of the radixin FERM domain. EMBO J 2000; 19: [30] HARLAN JE, HAJDUK PJ, YOON HS, FESIK SW. Pleckstrin homology domains bind to phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate. Nature 1994; 371: [31] HINCHLIFFE KA, CIRUELA A, IRVINE RF. PIPkins1, their substrates and their products: new functions for old enzymes. Biochim Biophys Acta 1998; 1436: [32] HOM RA, VORA M, REGNER M, SUBACH OM, CHO W, VERHUSHA VV, STAHELIN RV, KUTATE- LADZE TG. PH-depending binding of the Epsin ENTH domain and the AP 180 ANTH domain to -containing bilayers. J Mol Biol 2007; 373: [33] HOREJSI V. The roles of membrane microdomains (rafts) in T cell activation. Immunol Rev 2003; 191: [34] HUANG S, LIFSCHITZ L, PATKI-KAMATH V, TUFT R, FOGARTY K, CZECH MP. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate-rich plasma membrane patches organize active zones of endocytosis and ruffling in cultured adipocytes. Mol Cell Biol 2004: 24: [35] ISHIHARA H, SHIBASAKI Y, KIZUKI N, WADA T, YAZAKI Y, ASANO T, OKA Y. Type I Phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinases. Cloning of the third isoform and deletion/substitution analysis of members of this novel lipid kinase family. J Biol Chem 1998; 273: [36] ITOH T, ISHIHARA H, SHIBASAKI Y, OKA Y, TAKENAWA T. Autophosphorylation of type I phosphatidyloinositol phosphate kinase regulates its lipid kinase activity. J Biol Chem 2000; 275: [37] JANMEY PA, LINDBERG U. Cytoskeletal regulation: rich in lipids. Nat Rev Mol Cell Biol 2004; 5: [38] JARQUIN-PARDO M, FITZPATRICK A, GALIANO FJ, FIRST EA, DAVIS JN. Phosphatidic acid regulates the affinity of the murine phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase-Ib for phosphatidylinositol-4-phosphate. J Cell Biochem 2007; 100: [39] JONES DR, BULTSMA Y, KEUNE WJ, DIVECHA N. Methods for the determination of the mass of nuclear PtdIns4P, PtdIns5P, and PtdIns(4,5)P 2. Methods Mol Biol : [40] KANAHO Y, KOBAYASHI-NAKANO A, YOKOZEKI T. The phosphoinositide kinase PIP5K that produces the versatile signaling phospholipid. Biol Pharm Bull 2007; 30: [41] KASHIWADA M, ROTHMAN PB. PIP 3 pathway in regulatory T cells and autoimmunity. Immunol Res 2007; 39: [42] KISSELEVA M, FENG Y, WARD M, SONG C, ANDERSON RA, LONGMORE GD. The LIM protein Ajuba regulates phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate levels in migrating cells through an interaction with and activation of PIPKIa. Mol Cell Biol 2005; 25: [43] KLEIN RM, UFRET-VINCENTY CA, HUA L, GORDON SE. Determinants of molecular specifity in phosphoinositide regulation. Phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate ( ) is the endogeous lipid regulating TRPV1. J Biol Chem 2008; 283: [44] KUNZ J, WILSON MP, KISSELEVA M, HURLEY JH, MAJERUS PW, ANDERSON RA. The activation loop of phosphatidylinositol phosphate kinases determines signaling specifity. Mol Cell 2000; 5: [45] KUNZ J, FUELLING A, KOLBE L, ANDERSON RA. Stereo-specific substrate recognition by phosphatidylinositol phosphate kinases is swapped by changing a single amino acid residue. J Biol Chem 2002; 277: [46] KWIK J, BOYLE S, FOOKSMAN D, MARGOLIS L, SHEETZ MP, EDIDIN M. Membrane cholesterol, lateral mobility, and the phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate-dependent organization of cell actin. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100: [47] LAUX T, FUKAMI K, THELEN M, GOLUB T, FREY D, CARONI P. GAP43, MARCKS, and CAP23 modulate at plasmalemmal rafts, and regulate cell cortex actin dynamics through a common mechanism. J Cell Biol 2000; 149: [48] LEMMON MA. Phosphoinositide recognition domains. Traffic 2003; 4: [49] LEMMON MA, FERGUSON KM. Molecular determinants in pleckstrin homology domains that allow specific recognition of phosphoinositides. Biochem Soc Trans 2001; 29: [50] LEMMON MA, FERGUSON R, O'BRIEN R, SIGLER PB, SCHLESSINGER J. Specific and high-affinity binding of inositol phosphates to an isolated pleckstrin homology domain. Proc Natl Acad Sci USA 1995; 92: [51] LOIJENS JC, ANDERSON RA. Type I phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinases are distinct members of this novel lipid kinase family. J Biol Chem 1996; 271: [52] LUO B, PRESCOTT S, TOPHAM M. Diacyloglycerol kinase x regulates phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase Ia by a novel mechanism. Cell Signal 2004; 16:

16 358E. SZYMAÑSKA, K. KWIATKOWSKA [53] MARSCHALL, BOOTH JW, STAMBOLIC V, MAK T, BALLA T, SCHREIBER AD, MEYER T, GRINSTEIN S. Restricted accumulation of phosphatidylinositol 3-kinase products in a plasmalemmal subdomain during Fcg receptor-mediated phagocytosis. J Cell Biol 2001; 153: [54] MAO YS, YAMAGA M, ZHU X, WEI Y, SUN HQ, WANG J, YUN M, WANG Y, DI PAOLO G, BENNETT M, MELLMAN I, ABRAMS CS, DE CAMILLI P, LU CY, YIN HL. Essential and unique roles of PIP5Kg and a in Fcg receptor-mediated phagocytosis. J Cell Biol 2009; 184: [55] MCLAUGHLIN S, MURRAY D. Plasma membrane phosphoinositide organization by protein electrostatics. Nature 2005; 43: [56] MCLAUGHLIN S, WANG J, GAMBHIR A, MURRAY D. PIP 2 and proteins: interaction, organization, and information flow. Annu Rev Biophys Biomol Struct 2002; 31: [57] MELLMAN DL, GONZALES ML, SONG C, BARLOW CA, WANG P, KENDZIORSKI C, ANDERSON RA. A PtdIns(4,5)P 2 -regulated nuclear poly(a) polymerase controls expression of select m RNAs. Nature 2008; 451: [58] NAKANO-KOBAYASHI A, YAMAZAKI M, UNOKI T, HONGU T, MURATA C, TAGUCHI R, KATADA T. Role of activation of PIP5Kg661 by AP-2 complex in synaptic vesicle endocytosis. EMBO J 2007; 26: [59] NEWTON AC. Lipid activation of protein kinases. J Lipid Res 2008; Nov 24. [60] NIGGLI V. Structural properties of lipid-binding sites in cytoskeletal proteins. Trends Biochem Sci 2001; 26: [61] OSBORNE SL, THOMAS CL, GSCHMEISSNER S, SCHIAVO G. Nuclear PtdIns(4,5)P 2 assembles in a mitotically regulated particle involved in pre-mrna splicing. J Cell Sci 2001; 114: [62] OUDE WEERNINK PA, SCHMIDT M, JAKOBS KH. Regulation and cellular roles of phophoinositide 5- kinases. Eur Pharmacol 2004; 500: [63] OUDE WEERNINK PA, MELETIADIS K, HOMMELTENBERG S, HINZ M, ISHIHARA H, SCHMIDT M, JAKOBS KH. Activation of Type I phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase isoforms by the Rho GTPases, RhoA, Rac1, and Cdc42. J Biol Chem 2004; 279: [64] PADRON D, WANG YJ, YAMAMOTO M, YIN H, ROTH MG. Phosphatidylinositol phosphate 5-kinase Ib recruits AP-2 to the plasma membrane and regulates rates of constitutive endocytosis. J Biol Chem 2003; 162: [65] PARK SJ, ITOH T, TAKENAWA T. Phosphatidylinositol phosphate 5-kinase type I is regulated through phosphorylation response by extracellular stimuli. J Biol Chem 2001; 276: [66] PARMRYD I, ADLER J, PATEL R, MAGEE AI. Imaging metabolism of phosphatidylinositol 4,5- bisphosphate in T-cell GM1-enriched domains containing Ras proteins. Exp Cell Res 2003; 285: [67] PIKE LJ, CASEY L. Localization and turnover of phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate in caveolinenriched membrane domains. J Biol Chem 1996; 271: [68] PIKE LJ, MILLER JM. Cholesterol depletion delocalizes phosphatidylinositol bisphosphate and inhibits hormone-stimulated phosphatidylinositol turnover. J Biol Chem 1998; 273: [69] RAMEH LE, TOLIAS KF, DUCKWORTH BC, CANTLEY LC. A new pathway for synthesis of phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate. Nature 1997; 390: [70] RAO VD, MISRA S, BORONENKOV IV, ANDERSON RA, HURLEY JH. Structure of type IIb phosphatidylinositol phosphate kinase: a protein kinase fold flattened for interfacial phosphorylation. Cell 1998; 94: [71] RAUCHER D, STAUFFER T, CHEN W, SCHEN K, GUO S, YORK JD, SHEETZ MP, MEYER T. Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate functions as a second messenger that regulates cytoskeletonplasma membrane adhesion. Cell 2000; 100: [72] SAITO K, TOLIAS KF, SACI A, KOON HB, HUMPHRIES LA, SCHARENBERG A, RAWLINGS DJ, KINET JP, CARPENTER CL. BTK regulates PtdIns-4,5-P2 synthesis: importance for calcium signaling and PI3K activity. Immunity 2003; 19: [73] SCHEETZ MP, SABLE JE, DOBEREINER HG. Continuous membrane-cytoskeleton adhesion requires continuous accommodation to lipid and cytoskeleton dynamics. Annu Rev Biophys Biomol Struct 2006; 35: [74] SCOTT CC, DOBSON W, BOTELHO RJ, COADY-OSBERG N, CHAVRIER P, KNECHT DA, HEATH C, STAHL P, GRINSTEIN S. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate hydrolysis directs actin remodeling during phagocytosis. J Cell Biol 2005; 11: [75] SECHI AS, WEHLAND J. The actin cytoskeleton and plasma membrane connection: PtdIns(4,5)P 2 influences cytoskeletal protein activity at the plasma membrane. J Cell Sci 2000; 21: [76] STROSZNAJDER J, JÊŒKO H, STROSZNAJDER RP. Fosfolipidy inozytolowe w procesie przekazywania sygna³u. Receptory i mechanizmy przekazywania sygna³u. J.Z. Nowak, J.B. Zawilska (red.) Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2004:

17 LOKALIZACJA I FUNKCJE W KOMÓRCE 359 [77] STRZELECKA-KILISZEK A, KORZENIOWSKI M, KWIATKOWSKA K, MROZIÑSKA K, SOBOTA A. Activated FcgRII and signalling molecules revealed in rafts by ultrastructural observations of plasmamembrane sheets. Mol Membr Biol 2004; 21: [78] SUN Y, LING K, WAGONER MP, ANDERSON RA. Type Ig phosphatidylinositol phosphate kinase is required for EGF-stimulated directional cell migration. J Cell Biol 2007; 178: [79] SZYMAÑSKA E, KORZENIOWSKI M, RAYNAL P, SOBOTA A, KWIATKOWSKA K. Contribution of PIP-5 kinase Ia to raft-based FcgRIIA signaling. Exp Cell Res 2009; 315: [80] SZYMAÑSKA E, SOBOTA E, CZURY O E, KWIATKOWSKA K. Expression of -binding proteins lowers the level and inhibits FcgRIIA-mediated cell spreading and phagocytosis. Eur J Immunol 2008; 38: [81] TAKENAWA T, ITOH T. Phosphoinositidies, key molecules for regulation of actin cytoskeletal organization and membrane traffic from the plasma membrane. Biochim Biophys Acta 2001; 1553: [82] TOKER A. Phosphoinositides and signal transduction. Cell Mol Life Sci 2002; 59: [83] TONG J, NGUYEN L, VIDAL A, SIMON SA, SKENE JH, MCINTOSH TJ. Role of GAP-43 in sequestering phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate to raft bilayers. Biophys J 2008; 94: [84] TUOMINEN EK, HOLOPAINEN JM, CHEN J, PRESTWICH GD, BACHILLER PR, KINNUNEN PK, JANMEY PA. Fluorescent phosphoinositide derivatives reveal specific binding of gelsolin and other actin regulatory proteins to mixed lipid bilayers. Eur J Biochem 1999; 263: [85] VAN RHEENEN J, ACHAME EM, JANSSEN H, CALAFAT J, JALINK K. PIP 2 signaling in lipid domains: a critical re-evaluation. EMBO J 2005; 24: [86] VARNAI P, THYAGARAJAN B, ROHACS T, BALLA T. Rapidly inducible changes in phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate levels influence multiple regulatory functions of the lipid in intact living cells. J Cell Biol 2006; 175: [87] VERKLEIJ AJ, POST JA. Membrane phospholipid asymmetry and signal transduction. J Membr Biol 2000; 178: [88] WANG YJ, LI WH, WANG J, XU K, DONG P, LUO X, YIN HL. Critical role of PIP5KIg87 in InsP3- mediated Ca 2+ signaling. J Cell Biol 2004; 167: [89] WATT SA, KULAR G, FLEMING IN, DOWNES CP, LUCOCQ JM. Subcellular localization of phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate using the pleckstrin homology domain of phospholipase Cd1. Biochem J 2002; 363: [90] WAUGH MG, LAWSON D, TAN SK, HSUAN JJ. Phosphatidylinositol 4-phosphate synthesis in immunoisolated caveolae-like vesicles and low buoyant density non-caveolar membranes. J Biol Chem 1998; 273: [91] WENK MR, PELLEGRINI L, KLENCHIN VA, DI PAOLO G, CHANG S, DIANIELL L, ARIOKA M, MARTIN TF, DE CAMILLI P. PI(4,5)P kinase Ig is the major synthesizing enzyme at the synapse. Neuron 2001; 32: [92] WILSON BS, PFEIFFER JR, OLIVER JM. Observing FceRI signaling from the inside of the mast cell membrane. J Cell Biol 2000; 149: [93] YEUNG T, GRINSTEIN S. Lipid signaling and the modulation of surface charge during phagocytosis. Immunol Rev 2007; 219: [94] YIN HL, JANMEY PA. Phosphoinositide regulation of the actin cytoskeleton. Annu Rev Physiol 2003; 65: [95] YORK JD, ODOM AR, MURPHY R, IVES EB, WENTE SR. A phospholipase C-dependent inositol polyphosphate kinase pathway required for efficient messenger RNA export. Science 1999; 285: [96] ZONCU R, PERERA RM, SEBASTIAN R, NAKATSU F, CHEN H, BALLA T, AYALA G, TOOMRE D, DE CAMILLI PV. Loss of endocytic clathrin-coated pits upon acute depletion of phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104: Redaktor prowadz¹cy Bo ena Kamiñska-Kaczmarek Otrzymano: r. Przyjêto: r. Doc. dr hab. Katarzyna Kwiatkowska Instytut Biologii Doœwiadczalnej im. M. Nenckiego PAN k.kwiatkowska@nencki.gov.pl