La katanina es una proteína AAA que corta los microtúbulos . Su nombre se debe a la espada japonesa llamada katana . La katanina es una proteína heterodímera descubierta por primera vez en los erizos de mar . Contiene una subunidad ATPasa de 60 kDa , codificada por KATNA1 , que funciona para cortar los microtúbulos. Esta subunidad requiere ATP y la presencia de microtúbulos para su activación. La segunda subunidad de 80 kDa, codificada por KATNB1 , regula la actividad de la ATPasa y localiza la proteína en los centrosomas . [1] La microscopía electrónica muestra que la katanina forma anillos de 14 a 16 nm en su estado oligomerizado activo en las paredes de los microtúbulos (aunque no alrededor del microtúbulo).
El análisis estructural mediante microscopía electrónica ha revelado que los protofilamentos de los microtúbulos cambian de una conformación recta a una curva tras la hidrólisis de la β- tubulina con GTP . Sin embargo, cuando estos protofilamentos forman parte de un microtúbulo polimerizado, las interacciones estabilizadoras creadas por la red circundante bloquean las subunidades en una conformación recta, incluso después de la hidrólisis de GTP . [2] Para interrumpir estas interacciones estables, la katanina, una vez unida al ATP, se oligomeriza en una estructura de anillo en la pared de los microtúbulos; en algunos casos, la oligomerización aumenta la afinidad de la katanina por los microtúbulos y estimula su actividad ATPasa. Una vez formada esta estructura, la katanina hidroliza el ATP y probablemente sufre un cambio conformacional que pone tensión mecánica en las subunidades de tubulina, lo que desestabiliza sus interacciones dentro de la red de microtúbulos. El cambio conformacional previsto probablemente también disminuye la afinidad de la katanina por la tubulina así como por otras proteínas de katanina, lo que conduce al desmontaje de la estructura del anillo de katanina y al reciclaje de las proteínas inactivadas individuales. [3]
La rotura de microtúbulos por katanina está regulada por proteínas asociadas a microtúbulos (MAP) protectoras y la subunidad p80 (p60 corta los microtúbulos mucho mejor en presencia de p80). Estos mecanismos tienen diferentes consecuencias, dependiendo de en qué parte de la célula se activan o se interrumpen. Por ejemplo, permitir la rotura mediada por katanina en el centrosoma libera microtúbulos para que se muevan libremente. En un experimento, se inyectaron anticuerpos anti-katanina en una célula, lo que provocó una gran acumulación de microtúbulos alrededor del centrosoma e inhibición del crecimiento de microtúbulos. [4] Por lo tanto, la rotura mediada por katanina puede servir para mantener la organización en el citoplasma al promover el desmontaje de los microtúbulos y un movimiento eficiente. Durante la división celular, la rotura en el polo del huso produce extremos libres de microtúbulos y permite el flujo hacia el polo de tubulina y la retracción del microtúbulo. La rotura de microtúbulos en el citoplasma facilita el movimiento en cinta rodante y la movilidad, lo cual es importante durante el desarrollo.
La ruptura de microtúbulos mediada por katanina es un paso importante en la mitosis y la meiosis . Se ha demostrado que la katanina es responsable de la ruptura de microtúbulos durante la fase M en Xenopus laevis . [5] El desmontaje de los microtúbulos de sus estructuras de interfase es necesario para preparar la célula y el huso mitótico para la división celular. Esta regulación es indirecta: las proteínas MAP, que protegen los microtúbulos de ser cortados durante la interfase, se disocian y permiten que la katanina actúe. [6] Además, la katanina es responsable de la ruptura de microtúbulos en los husos mitóticos cuando se requiere el desmontaje para segregar las cromátidas hermanas durante la anafase . [5] Se han obtenido resultados similares en relación con la actividad de la katanina durante la meiosis en C. elegans . [7] Se informó que Mei-1 y Mei-2 codifican proteínas similares a las subunidades p60 y p80 de la katanina. Mediante el uso de anticuerpos, se descubrió que estas dos proteínas se localizaban en los extremos de los microtúbulos en el huso meiótico y, cuando se expresaban en células HeLa , estas proteínas iniciaban la ruptura de los microtúbulos. Estos hallazgos indican que la katanina cumple una función similar tanto en la mitosis como en la meiosis al segregar cromátidas hacia los polos del huso.
La katanina es importante para el desarrollo de muchos organismos. Tanto la eliminación como la sobreexpresión de la katanina son perjudiciales para el crecimiento axonal y, por lo tanto, la katanina debe ser regulada cuidadosamente para un desarrollo neuronal adecuado. [8] En particular, la separación de microtúbulos en espacios celulares específicos permite que los fragmentos prueben varias rutas de crecimiento. La katanina ha demostrado ser necesaria en esta tarea. Un experimento que utilizó imágenes digitales con lapso de tiempo de tubulina marcada con fluorescencia demostró que los conos de crecimiento axonal se detienen y los microtúbulos se fragmentan en sitios de ramificación durante el desarrollo neuronal. [9]
Un experimento similar en el que se utilizó tubulina marcada con fluorescencia observó una fragmentación local de los microtúbulos en los lamelipodios de las células pulmonares de los tritones durante la migración del desarrollo, en la que los fragmentos discurren perpendiculares a la membrana celular que avanza para facilitar la exploración. [10] La naturaleza local de ambos eventos de fragmentación probablemente indica una regulación por parte de la katanina porque puede concentrarse en regiones celulares específicas. Esto está respaldado por un estudio que demostró que la mutación Fra2, que afecta a un ortólogo de la katanina en Arabidopsis thaliana , conduce a una disposición aberrante de las microfibrillas de celulosa a lo largo de la pared celular en desarrollo en estas plantas. [11] Esta mutación produjo un fenotipo con una elongación celular reducida, lo que sugiere la importancia de la katanina en el desarrollo en una amplia gama de organismos.
Se sabe que la katanina es abundante en el sistema nervioso e incluso niveles modestos de esta sustancia pueden causar una reducción significativa de los microtúbulos. Sin embargo, es necesario separarlos de otros compartimentos de la neurona para que una cantidad suficiente de ellos pueda transportarse rápidamente.
En el sistema nervioso, la proporción de las dos subunidades es radicalmente diferente a la de otros órganos del cuerpo. Por lo tanto, es importante poder regular la proporción para controlar la rotura de los microtúbulos. El monómero p80 se encuentra en todos los compartimentos de la neurona, lo que significa que su función no puede ser únicamente la de atacar a la katanina. La katanina p80 tiene múltiples dominios con diferentes funciones. Un dominio ataca al centrosoma, otro aumenta la rotura de los microtúbulos mediante la katanina p60 y el último la suprime. [12] La abundancia de katanina en las neuronas muestra que pueden moverse a lo largo del axón. Hay rotura de microtúbulos en los puntos de ramificación axonal y en los conos de crecimiento de las neuronas. La distribución de la katanina en la neurona ayuda a comprender el fenómeno de regulación de la longitud y el número de microtúbulos, así como la liberación de los microtúbulos del centrosoma.
Se cree que la katanina está regulada por la fosforilación de otras proteínas. La flexión mejora el acceso de la katanina a la red, lo que facilita su corte. [6]
También se ha descubierto que la katanina tiene funciones similares en plantas superiores. La forma y la estructura de una célula vegetal están determinadas por la pared celular rígida , que contiene celulosa altamente organizada, cuya orientación se ve afectada por los microtúbulos que sirven para guiar la deposición de las fibras en formación. La orientación de las microfibrillas de celulosa dentro de la pared celular está determinada por los microtúbulos, que están alineados perpendicularmente al eje mayor de expansión celular. [13] Debido a que las células vegetales carecen de centrosomas tradicionales, la katanina se acumula en la envoltura nuclear durante la preprofase y la profase , donde se forman los microtúbulos del huso.
Durante la elongación celular, los microtúbulos deben ajustar su orientación constantemente para mantenerse al día con el aumento de la longitud celular. Se propuso que este cambio constante en la organización de los microtúbulos se realiza mediante el rápido desmontaje, ensamblaje y translocación de los microtúbulos. [14] Recientemente, se ha demostrado que las mutaciones en el homólogo de la katanina vegetal alteran las transiciones en la organización de los microtúbulos, lo que, a su vez, causa alteraciones en la deposición adecuada de celulosa y hemicelulosa . Se presume que esto se debe a la falta de capacidad de la célula vegetal para regular las longitudes de los microtúbulos.
No existe un homólogo para la subunidad reguladora de katanina p80. Por lo tanto, se creó un At-p60 marcado con His para describir sus funciones en plantas. El His-At-p60 puede cortar microtúbulos in vitro en presencia de ATP. Interactúa directamente con los microtúbulos en ensayos de cosedimentación. La actividad de ATPasa se estimuló de forma no hiperbólica. [15] La hidrólisis de ATP se estimula con una proporción baja de tubulina/At-p60 y se inhibe con proporciones más altas. Las proporciones bajas favorecen las interacciones de la subunidad de katanina, mientras que las proporciones altas muestran un deterioro. El At-p60 puede oligomerizarse como los de los animales. El At-p60 interactúa directamente con los microtúbulos, mientras que el p60 animal se une a través de sus extremos N. La parte N-terminal del p60 no está bien conservada entre los reinos vegetal y animal. [16]