变色两栖动物:细胞骨架中的分子机制揭示潜在进化路径

2020-08-05 148两栖类

变色两栖动物:细胞骨架中的分子机制揭示潜在进化路径。许多两栖动物和鱼类能够改变颜色以更好地适应环境。慕尼黑的科学家现在已经研究了细胞骨架中的分子机制,并揭示了潜在的进化路径。

高等生物的所有细胞都被细胞骨架所渗透,细胞骨架主要由肌动蛋白丝和称为微管的小蛋白管组成。长期以来,科学认为肌动蛋白或微管网络是独立的系统。

今天我们知道,这两种网络类型彼此通信,从而使诸如细胞分裂或细胞迁移等重要的细胞过程成为可能。然而,这种合作在分子水平上是如何运作的仍然是未知的。

来自慕尼黑理工大学(TUM)分子生物物理学系主任的ZeynepÖkten博士和Erwin Frey博士,慕尼黑路德维希-马克西米利安大学统计学和生物物理学教授和他们的团队现在首次通过变色两栖动物:细胞骨架中的分子机制揭示潜在进化路径。

细胞内的转运途径

细胞的许多功能成分,如细胞器,必须在细胞内的正确时间被带到正确的位置。为此,它们被微管和肌动蛋白丝上的分子马达主动地运输。

研究表明,长期以来被视为对两种网络系统中的一种具有高度特异性的电机实际上也可以重新定向到另一种灯丝类型。例如,在老鼠身上,科学家发现了一种调节这种重新定向的适配蛋白。

肌球蛋白通过肌动蛋白网络运输其货物,但适配器蛋白也与微管相互作用,并能在这个网络上重新定向运输。哪个网络是首选的是由化学修饰的适配器蛋白的特定结合位点控制的。

转换型适配蛋白

鱼类和两栖动物也有一种与哺乳动物适配器相对应的蛋白质。进化上更老的鱼类和两栖动物利用它来调整皮肤颜色以适应环境因素,这是通过改变特定细胞内的色素细胞器来实现的。

这就是为什么研究小组使用斑马鱼和爪蟾在厄克滕实验室进行实验研究,以检验微管网络和肌动蛋白网络相互作用的起源和分子机制。

分子开关的演化

变色两栖动物:细胞骨架中的分子机制揭示潜在进化路径。科学家们发现老鼠适配器蛋白和爪蛙适配器蛋白都有一个特定的结构域,可以在肌动蛋白和微管之间转换。

斑马鱼,进化上最古老的动物,还没有这个领域厄克顿说:“在这里,移动色素细胞器的运动蛋白受到不同的调节机制的影响,不同的细胞骨架网络之间没有相互作用。”

厄克滕进一步解释说:“相比之下,爪蟾在网络之间的转换是绝对必要的,这样动物才能改变颜色——这种转换能力在两栖动物到高等脊椎动物的进化过程中也得到了保留。”

理论模型解释了色素再分配

此外,实验结果表明,环境信号导致了爪蛙体内色素细胞器的再分配,与肌动蛋白丝向微管丝转移的概率变化有关。

“我们已经开发了一个理论模型,将单个运动蛋白的开关概率与色素细胞器在细胞范围内的再分配联系起来,”Frey说。计算机模拟表明,开关概率的变化实际上是足够的,作为唯一的参数提供了细胞器在模拟细胞的重新分布。

“值得注意的是,我们的模拟非常精确地反映了在生物体中观察到的细胞器的重新分布,”Frey说。“因此,这一理论方法强调了实验结果在功能上的重要性,并表明在低等脊椎动物中发展起来的肌动蛋白网络和微管网络之间的相互作用显示出了特别高的调节效率。”

引用

Technical University of Munich (TUM). "Color-changing amphibians: Lane change in the cytoskeleton: Transport proteins can switch between microtubule network and actin network." ScienceDaily. ScienceDaily, 12 February 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/02/200212131442.htm.

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