plik

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

245

Marcin Wolny

Anna M. Wróblewska

Beata Machnicka

Aleksander F. Sikorski

1,*

Uniwersytet Wrocławski, Zakład Cytobio-

chemii, Wydział Biotechnologii, Wrocław

Uniwersytet Zielonogórski, Katedra Biologii

Molekularnej, Wydział Nauk Biologicznych,

Zielona Góra

Uniwersytet

Wrocławski,

Zakład

Cytobiochemii, Wydział Biotechnologii, ul.

Przybyszewskiego 63/77, 51-148 Wrocław;

e-mail: afsbc@ibmb.uni.wroc.pl

Artykuł otrzymano 23 stycznia 2012 r.

Artykuł zaakceptowano 28 lutego 2012 r.

Słowa kluczowe: szkielet błonowy, spektryna,

błona komórkowa, ankiryna, anemia hemoli-

tyczna

Wykaz skrótów: BPA — białko przenoszące

aniony, cAMP — cykliczny adenozynomo-

nofosforan, HS (ang. hereditary sferocytosis) —

dziedziczna sferocytoza, MAGUK (ang. mem-

brane associated guanylate kinase homologue) —

homolog błonowej kinazy guanylowej, NMR

(ang. nuclear magnetic resonance) — magnetycz-

ny rezonans jądrowy, PC — fosfatydylocho-

lina, PDB (ang. protein database) — białkowa

baza danych, PE — fosfatydyloetanoloamina,

PS — fosfatydyloseryna

Podziękowania: Marcin Wolny jest stypendy-

stą w ramach Poddziałania 8.2.2 „Regionalne

Strategie Innowacji”, Działania 8.2 „Transfer

wiedzy”, Priorytetu VIII „Regionalne Kadry

Gospodarki” Programu Operacyjnego Kapitał

Ludzki współfinansowanego ze środków Eu-

ropejskiego Funduszu Społecznego Unii Euro-

pejskiej i z budżetu państwa. Autorzy chcą po-

dziękować dr Tomowi Fink (East Carolina Uni-

versity, USA) za cenne wskazówki przy pracy

na elektronowym mikroskopie skaningowym.

Spektryna — bogactwo funkcji ukrytych w strukturze

STRESZCZENIE

łona komórkowa erytrocytów charakteryzuje się niezwykłą wytrzymałością mechanicz-

ną i elastycznością, cechami zapewnianymi przez białkową strukturę noszącą nazwę

szkieletu błonowego. Głównym elementem tej struktury jest spektryna, która zorganizo-

wana jest w gęstą sieć kontaktującą się z wieloma partnerami białkowymi, jak również bez-

pośrednio z dwuwarstwą lipidową. Ze względu na kluczową rolę, jaką pełni spektryna w

utrzymywaniu właściwości błony erytrocytów oraz innych komórek, białko to doczekało się

wielu opracowań naukowych. Pomimo tego, iż szkielet błonowy wydaje się dobrze poznany

i scharakteryzowany to najnowsze odkrycia ukazują nam nowe szczegóły i właściwości tej

struktury. Celem niniejszej pracy jest zebranie i usystematyzowanie najnowszych doniesień

dotyczących struktury i funkcji spektryny z uwzględnieniem aspektów dotyczących chorób

związanych z zaburzeniami szkieletu błonowego. Podejmujemy tu także próbę powiązania

nowych danych strukturalnych z funkcją fizjologiczną różnych domen spektryny.

WPROWADZENIE

Erytrocyty ssaków to wysoce wyspecjalizowane komórki, których główną

funkcją jest transport tlenu w organizmie. Wyjątkowa wytrzymałość mecha-

niczna oraz zdolność do odwracalnych odkształceń, pozwalają im podołać wy-

zwaniu jakie stanowi dla nich stres mechaniczny związany z dużą szybkością

przepływu w ciasnym świetle naczyń włosowatych. Ewolucja umożliwiła im to

nie tylko poprzez utratę jądra komórkowego i innych organelli komórkowych,

ale także poprzez specyficzną strukturę błony komórkowej, której szczególne

właściwości mechaniczne nadaje oparty na spektrynie szkielet błonowy.

STRUKTURA SZKIELETU BŁONOWEGO

Szkielet błonowy jest wieloskładnikowym kompleksem złożonym z szeregu

białek, oddziałującym z dwuwarstwą lipidową zawierającą białka transmem-

branowe. Pierwsze mikrografie szkieletu błonowego uzyskane w mikroskopie

elektronowym wykonano w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Ukazały

one strukturę złożoną z poligonalnej sieci, której dominującym elementem były

filamenty białkowe o długości ok. 200 nm. Jak się okazało, białkiem tworzącym

tę sieć była spektryna [1]. Tetramery spektryny uorganizowane są w sieć z krót-

kimi (~40 nm) filamentami aktynowymi, które wraz z tropomiozyną, tropomo-

duliną i szeregiem innych białek, umiejscowione są w węzłach sieci (Ryc. 1).

Kompleksy węzłowe umożliwiają poprawne formowanie sieci spektrynowej

poprzez zapewnienie przyczepów „horyzontalnych” dla tetramerów spektryny.

Zgodnie z tradycyjnym modelem budowy kompleksu węzłowego,

ten ele-

ment strukturalny sieci spektrynowej opiera się na odziaływaniu białek: gliko-

foryna C-białko 4.1-spektryna-filament aktynowy [2,3]. Jednakże, najnowsze ba-

dania zmodyfikowały naszą wiedzę na temat struktury tych kompleksów, wy-

kazując znacznie większą różnorodność białek tworzących kompleksy węzłowe

sieci spektrynowej. Na pierwsze miejsce wysuwa się tu rola białka 4.1, które

przyłączając się do glikoforyny C i białka p55/MPP1, pośredniczy w oddziały-

waniu z filamentem aktynowym i spektryną. Nie są to jedyni partnerzy białka

4.1. Ostatnie doniesienia wskazują na zdolność tego białka do oddziaływania z

dimerem BPA oraz białkami Kell, XK, Rh i Duff, co znacznie powiększa liczbę

białek transmembranowych biorących udział w tworzeniu kompleksu węzło-

wego, jak również wskazuje na kluczową rolę białka 4.1 w organizacji tego kom-

pleksu [4]. Dodatkowym elementem kompleksu oddziałującym z białkiem 4.1

może być białko 4.2, które przyłączając się do C-końcowej domeny α spektryny

posiadającej motyw „EF-hand” stabilizuje strukturę kompleksu poprzez oddzia-

ływanie z dimerem BPA [5]. Wspomniany dimer białka przenoszącego aniony

pełni również dodatkową rolę strukturalną biorąc udział w oddziaływaniu z

adducyną, które wydaje się kluczowe dla zachowania stabilności kompleksu

węzłowego. Adducyna podobnie jak dematyna, posiada zdolność do oddziały-

246

www.postepybiochemii.pl

wania z filamentem aktynowym, ale również z transmem-

branowym białkiem, transporterem glukozy 1 (GLUT 1) [6].

Oddziaływanie to zapewnia alternatywną w stosunku do

oddziaływania z glikoforyną C, kotwicę błonową dla kom-

pleksu węzłowego. Jak widać, najnowsze dane znacznie po-

głębiły naszą wiedzę na temat składu kompleksu węzłowe-

go sieci spektrynowej wykazując znacznie większy stopień

jego skomplikowania niż dotychczas sądzono.

Oprócz kompleksu węzłowego, w obrębie sieci spek-

trynowej wyróżnia się drugi charakterystyczny element

strukturalny, który kotwiczy tetramery spektrynowe do za-

wierającej białka integralne dwuwarstwy lipidowej. Głów-

nymi składnikami tego kompleksu są białko przenoszące

aniony i ankiryna [7]. Spektryna przyłącza się do ankiryny,

która z kolei, oddziałuje z cytoplazmatyczną domeną biał-

ka przenoszącego aniony. BPA ma postać dimerów, które

przyłączając się do dwóch niezależnych miejsc wiązania w

cząsteczce ankiryny tworzą pseudotetramer [8]. Powsta-

ły kompleks spektryna-ankiryna-BPA stabilizowany jest

przez białko 4.2. Uważa się, że w tworzenie tego kompleksu

zaangażowane są również inne charakterystyczne dla ery-

trocytów białka, wzmacniające jego strukturę, m. in. CD47,

RhAG i glikoforyna A. Centralnym punktem omawianego

kompleksu jest ankiryna. Białko to posiada zdolność do

oddziaływania z różnymi ligandami, która szczególnie wi-

doczna jest w komórkach nieerytrocytarnych. Partnerami

ankiryny mogą być Na

-ATPaza, kanały sodowe i pota-

sowe, neurofascyna, oraz Ca

-ATPaza [9].

Przedstawiona powyżej budowa szkieletu błonowego

wynika z określonych przystosowań ewolucyjnych, bę-

dących odpowiedzią na wyzwania pojawiające się wraz z

rozwojem organizmów wielokomórkowych, a później krę-

gowców. Spektryna, będąca prawdopodobnie pierwszym

elementem tego systemu, nadal stanowi jego podstawę, a

jej oddziaływanie z ankiryną wydaje się niezbędne w or-

ganizacji komórek w tkanki. Z kolei oddziaływanie białka

4.1 ze spektryną i aktyną odgrywa ważną rolę w organizacji

oraz regulacji białkowych domen błonowych, w czym ak-

tywnie uczestniczy adducyna [10]. Kompleks spektryna-an-

kiryna-białko 4.1-adducyna wydaje się zatem kluczowy dla

sprostania wymogom funkcjonowania wielokomórkowych

organizmów. W organizmach tych komórki i tkanki nara-

żone są na liczne stresy mechaniczne, będąc jednocześnie w

potrzebie nieustannego kontaktu i komunikacji.

FUNKCJE SPEKTRYNY W KOMÓRKACH

INNYCH NIŻ ERYTROCYTY

Szkielet błonowy lub struktury pokrewne są szeroko roz-

powszechnione w różnych typach komórek zwierzęcych.

Jak już wspomniano, w erytrocytach szkielet spektrynowy

decyduje o właściwościach mechanicznych tych komórek.

Wydaje się jednak, że w komórkach innych typów struktura

ta może pełnić znacznie bardziej rozbudowane funkcje. Jed-

ną z ważnych ról szkieletu spektrynowego jest udział w for-

mowaniu połączeń międzykomórkowych, poprzez rekru-

tację odpowiednich białek błonowych [2]. Zaangażowanie

szkieletu spektrynowego w tym procesie umożliwia funkcja

szkieletu polegająca na właściwym pozycjonowaniu białek

kluczowych w kontakcie komórka-komórka, w czym duży

udział ma także ankiryna. Jak się wydaje, szkielet spektry-

nowy umożliwia polaryzację komórek epitelialnych [11].

Oprócz bezpośredniego zaangażowania szkieletu spek-

trynowego w organizację błony komórkowej, stwierdzono

również występowanie jego elementów w obrębie sieci apa-

ratu Golgiego. Funkcja spektryny w tych organellach do-

czekała się opracowania dwóch bardzo ciekawych modeli.

Pierwszy z nich zakłada udział spektryny w organizacji i

stabilizacji błon aparatu Golgiego oraz w nadawaniu kształ-

tu i integrowaniu poszczególnych elementów tego orga-

nellum [12]. Spektryna mogłaby również regulować proces

fuzji pęcherzyków z cysternami aparatu Golgiego poprzez

zmiany w strukturze sieci spektrynowej. W zależności od

gęstości sieci zmieniałyby się właściwości błony, pozwala-

jąc lub nie, na internalizację pęcherzyków docierających do

aparatu Golgiego. Drugi z modeli zakłada udział spektryny

w transporcie pęcherzyków pomiędzy siateczką endopla-

zmatyczną, a aparatem Golgiego: spektryna opłaszczając

pęcherzyk wiąże się do dyneiny, która transportuje pęche-

rzyk wzdłuż mikrotubul [12,13]. Obie propozycje zakładają

Rycina 1. Schemat przedstawia fragment sieci spektrynowej z wyszczególnionym kompleksem wiążącym do błony oraz kompleksem węzłowym szkieletu błonowego.

Schemat uwzględnia również miejsce zależnego od ankiryny wiązania lipidów (strzałka).

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

247

ważną rolę spektryny w aparacie Golgiego, szczególnie w

transporcie pęcherzykowym.

Spektryna, oraz ankiryna, wydają się mieć również

duże znaczenie w kierowaniu białek błonowych (zwłasz-

cza kanałów jonowych) do błony docelowej [14]. Szkielet

spektrynowy odgrywa także ważną rolę w funkcjonowa-

niu synapsy nerwowej. Bierze udział w transporcie ak-

sonalnym oraz organizacji pęcherzyków synaptycznych,

jak również struktur presynaptycznych [15,16]. Spektry-

na wydaje się mieć również kluczowe znaczenie w two-

rzeniu drzewa dendrytycznego komórek Purkiniego oraz

w procesie mielinacji komórek Schwanna, co wskazuje na

to, jak ważne jest to białko dla poprawnego funkcjono-

wania komórek neuronalnych [17,18]. Dodatkowo, od-

działywanie spektryny mózgowej z białkiem NCAM jest

niezbędne w poprawnym działaniu zgęstnienia postsy-

naptycznego, a zaburzenia tego oddziaływania towarzy-

szą rozwojowi chorób mózgu [19]. Zdolność spektryny

do oddziaływania z różnymi białkami (ponad 50 pozna-

nych dotychczas ligandów białkowych) predysponuje ją

do odgrywania roli platformy organizacyjnej w przebie-

gu różnych procesów [20,21]. Ze względu na możliwość

oddziaływania z lipidami błony, postuluje się udział

spektryny w organizacji białkowo-lipidowych, mikrodo-

men błonowych [22]. I rzeczywiście, ostatnie doniesienia

mówią o zaangażowaniu spektryny w budowę tzw. tratw

błonowych [23]. Możliwości oddziaływania spektryny

zarówno z partnerami białkowymi jak i lipidami, dają im-

ponujący obraz oddziaływań spektryny z ligandami biał-

kowymi w różnych typach komórek. Jednakże pomimo

dużego postępu badań w tej dziedzinie, dokładna funkcja

szkieletu błonowego w komórkach innych niż erytrocyty

pozostaje względnie słabo poznana, a doniesienia litera-

turowe sprzeczne.

SPEKTRYNA

U ssaków, w tym u czło-

wieka znanych jest siedem

genów kodujących pod-

jednostki spektryny. Geny

SPTA i SPTAN1 kodują pod-

jednostkę α odpowiednio

spektryny αI („erytrocytar-

nej”) i αII („nieerytrocytar-

nej”), natomiast spektryna

β kodowana jest przez geny

SPTB („erytrocytarna”; βI),

SPTBN1-3 („nieerytrocytar-

na”; βII-βIV) i SPECV (tzw.

„ciężka” spektryna βV, ho-

molog βH — D. melanogaster,

C. elegans). Możliwość alter-

natywnego składania trans-

kryptów tych genów skut-

kuje różnorodnością izoform

spektryny, występujących w

poszczególnych typach ko-

mórek.

Kanoniczna

spektryna,

jest białkiem zbudowanym

z dwóch podjednostek α i

dwóch β, które tworzą przeciwrównoległe heterodimery

łączące się ze sobą wg symetrii „głowa do głowy” (Ryc. 2).

Utworzony w ten sposób tetramer, o długości 200–260 nm i

średnicy 3–6 nm, jest funkcjonalną postacią spektryny ery-

trocytarnej, jak i większości spektryn komórek innych niż

erytrocyty (Ryc. 1 i 2). Cechą charakterystyczną spektry-

ny, zarówno podjednostki α jak i β, jest tzw. „powtórzenie

spektrynowe/segment spektrynowy”. Jest to motyw ok.

106 reszt aminokwasowych zorganizowanych w trójheli-

kalną strukturę, stanowiącą molekularną podstawę budo-

wy spektryny. Typowa cząsteczka spektryny α zawiera 22

segmenty, z których dwadzieścia to powtórzenia trójheli-

kalne, a dwa pozostałe to domena SH3 współtworząca 10

segment i C-końcowa domena homologiczna do kalmodu-

liny. Spektryny β są krótsze i zbudowane z 19 domen, z

czego 17 to typowe segmenty trójhelikalne (wyjątek stano-

wią „ciężkie” spektryny β, które jak w przypadku spektry-

ny βV zawierają ich 30) [24-26]. Pozostałe dwa elementy

strukturalne to N-końcowa domena wiązania F-aktyny

zbudowana z dwóch motywów homologicznych do kal-

poniny (2CH), a w przypadku „długich” izoform spektry-

ny nieerytrocytarnej, C-końcowa domena plekstrynowa.

Domena o homologii kalponinowej oraz domena homolo-

giczna do kalmoduliny są charakterystyczne dla białek z

tzw. rodziny spektryn. W skład tej grupy białek, oprócz

spektryny, wchodzą α-aktynina, dystrofina, utrofina, tra-

bekulina i białko kakapo [2]. Prawdopodobnie białkiem

najbliższym ewolucyjnemu prekursorowi spektryny jest

α-aktynina. Sekwencja aminokwasowa spektryn wykazuje

50–60% homologię pomiędzy D. melanogaster i C. elegans a

kręgowcami. W przypadku niektórych domen sięga ona

nawet 80%. Homologia sekwencji i powszechność określo-

nych struktur w białkach z rodziny spektryn, świadczy o

wysokim stopniu ich zachowania w ewolucji.

Rycina 2. Schemat budowy spektryny i formowania tetrameru przez spektrynę erytrocytarną αIbI. Szczegóły w tekście.

248

www.postepybiochemii.pl

SEGMENT SPEKTRYNOWY

Jak już wspomniano, podstawowym elementem spektry-

ny, stanowiącym jej „strukturalną wizytówkę”, jest trójhe-

likalny segment spektrynowy (Ryc. 3A, spektryna

α kury

Każda z podjednostek zawiera inną liczbę takich segmen-

tów. Długość segmentów waha się od 99 do 110 reszt ami-

nokwasowych, przy czym wszystkie mają bardzo zbliżoną

strukturę przestrzenną, na którą składają się trzy odcinki

α-helikalne połączone ze sobą pętlami. Helisy A i B są poło-

żone przeciwrównolegle względem siebie, a helisa C znaj-

duje się w bruździe pomiędzy nimi. Segmenty połączone są

ze sobą krótkim (5 reszt aminokwasowych), helikalnym od-

cinkiem, płynnie łączącym helisę C jednego segmentu z heli-

są A kolejnego [27,28]. Właściwości fizjologiczne spektryny

wymagają, aby jej strukturalne elementy tworzyły trwałą, a

jednocześnie elastyczną konstrukcję. Stabilność układu trój-

helikanego segmentów spektryny wynika z tzw. heptado-

wego układu reszt aminokwasowych, gdzie hydrofobowe

reszty aminokwasowe skierowane są do wnętrza przestrze-

ni między helisami, tworząc stabilny rdzeń wzmacniany

dodatkowo mostkami solnymi pomiędzy resztami znajdu-

jącymi się na bocznych powierzchniach helis. Istotną rolę w

tym układzie pełnią zachowane w ewolucji reszty tryptofa-

nu, które w większości segmentów spektrynowych funkcjo-

nują jako hydrofobowa „spinka” wspomagająca utrzymy-

wanie trójhelikalnej struktury [29,30]. Wydaje się zatem, iż

segmenty spektryny są do siebie bliźniaczo podobne, choć

wielość funkcji pełnionych przez spektrynę wymagałaby

raczej specyficznych przystosowań. Rzeczywiście, mimo

ogólnych podobieństw w budowie, segmenty spektryny

różnią się między sobą sekwencją aminokwasową wykazu-

jąc jedynie 20% homologii, jak również parametrami fizyko-

chemicznymi, zwłaszcza temperaturą denaturacji. Okazuje

się bowiem, że obok segmentów wyjątkowo stabilnych ter-

micznie (α3, 7, 19 oraz β10, 16) występują segmenty ulega-

jące rozfałdowaniu w temperaturze fizjologicznej (α4, 6, 8

oraz β9) (Ryc. 3B) [31,32]. Sąsiedztwo segmentów stabilnych

z niestabilnymi, może wyjaśniać mechaniczne właściwości

cząsteczki spektryny. W trakcie stresu mechanicznego do-

chodzi zapewne do rozwinięcia się segmentów mniej sta-

bilnych, które w stanie spoczynku są stabilizowane przez

odporniejsze termicznie sąsiadujące segmenty; zapewnia to

elastyczność i wytrzymałość całej cząsteczki [33-36].

MIEJSCE TETRAMERYZACJI SPEKTRYNY

Spektryna tworzy funkcjonalną strukturę w postaci tetra-

meru zbudowanego z dwóch heterodimerów, w skład któ-

rych wchodzą podjednostki α i β. Miejsca dimeryzacji pod-

jednostek formowane są przez dwa N-końcowe segmenty

podjednostki β i dwa C-końcowe segmenty podjednost-

ki α (Ryc. 2) [37]. Oddziaływanie między podjednostkami

może być także wzmacniane przez przylegające do miejsca

dimeryzacji segmenty. Tetramer spektrynowy tworzy się

poprzez asocjację „głowa do głowy” dwóch dimerów. Miej-

scem tego oddziaływania jest N-końcowy fragment pod-

jednostki α mający postać pojedynczej α helisy (Ryc. 4A)

i C-końcowy podjednostki β, zawierający dwa elementy

helikalne [38]. Taka budowa miejsca tetrameryzacji umoż-

liwia utworzenie trójhelikalnej struktury przypominającej

typowy segment spektryny (Ryc. 4B). Oddziaływania mię-

dzy helisą C (α spektryna) a helisami A i B (β spektryna)

oparte są głównie na oddziaływaniu

reszt hydrofobowych

aminokwasów

skierowanych do wnętrza segmentu [39].

Co ciekawe, mimo dużego podobieństwa strukturalnego

pomiędzy tworzącymi miejsce tetrameryzacji elementami

spektryny αI i αII, wykazują one subtelne różnice mogące

mieć znaczenie funkcjonalne [38,40]. Znaczny udział, w tym

elemencie spektryny αII, ma sieć licznych wiązań wodoro-

wych, które wzmacniają i usztywniają jego strukturę [41,42].

W przypadku spektryny αI brak jest tego typu oddziaływań,

co powoduje zwiększoną elastyczność tego fragmentu, ide-

alnie wpisującą się w funkcje pełnione przez szkielet spek-

trynowy w erytrocytach. Dodatkowo, połączenie pomiędzy

N-końcową, pojedynczą α helisą, z kolejnym segmentem

spektryny α ma odmienną postać w spetrynie erytrocytar-

nej i nieerytrocytarnej. W tym pierwszym przypadku mamy

do czynienia z nie posiadającym zdefiniowanej struktury,

elastycznym motywem zbudowanym z 7 reszt aminokwa-

sowych, podczas gdy w spektrynie nieerytrocytarnej łącz-

Rycina 3. Strukturalne elementy powtórzenia spektrynowego. A) Trójhelikalny

segment spektryny; Segment 16 spektryny α kury, kolor zielony — helisa A; kolor

żółty — helisa B, kolor czerwony — helisa C. B) Segmenty 8 i 9 spektryny α kury.

Struktury zostały wygenerowane przy pomocy programu Yasara.

Rycina 4. Miejsce tetrameryzacji spektryny. A) Nałożenie struktury krystalicznej

N-końcowego fragmentu spektryny mózgowej α (reszty aminokwasowe 11-147;

kolor niebieski; PDB id: 3F31); na strukturę NMR N-końcowego fragmentu spek-

tryny α erytrocytarnej (reszty aminokwasowe 1-156; kolor czerwony; PDB id:

1owa); domena tworząca helisę C segmentu powstałego w miejscu tetrameryzacji

zaznaczona jest strzałką. Widać znaczne podobieństwo strukturalne pomiędzy

domenami i dopiero szczegóły na poziomie sekwencji aminokwasowej decydu-

ją o odmiennych właściwościach obu domen (szczegóły w tekście). B) Struktura

krystaliczna miejsca tetrameryzacji spektryny erytrocytarnej; N-końcowy frag-

ment spektryny α (reszty aminokwasowe 19-158) tworzy z C-końcowym frag-

mentem spektryny β (reszty aminokwasowe 1902-2084) trójhelikalny segment

spektrynowy. Dalsze szczegóły w tekście. Struktury zostały wygenerowane przy

pomocy programu Yasara.

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

249

nik ten ma postać typowej α helisy. Wspomniane powyżej

różnice strukturalne w obrębie podjednostki α odpowiadają

za znaczną różnicę powinowactwa (K

dla αII-βII jest ponad

dziesięciokrotne mniejsza od K

dla αI-βI) [43]. W opinii po-

wyżej cytowanych autorów, różnice strukturalne pomiędzy

podjednostkami β w obrębie miejsca tetrameryzacji mają

mniejsze znaczenie dla powinowactwa z jakim formowany

jest tetramer. Miejsce tetrameryzacji jest też wyjątkowe z in-

nego powodu. Większość związanych ze spektryną mutacji

prowadzących do eliptocytozy (anemii hemolitycznej) zlo-

kalizowana jest w jego obrębie [44]. Świadczy to o tym, jak

ważną w pełnieniu fizjologicznych funkcji jest organizacja

spektryny w tetramery.

DOMENA SH3

Gdy zagłębimy się w szczegóły struktury spektryny α,

przesuwając się wzdłuż jej cząsteczki, począwszy od N-

-końca, mniej więcej pośrodku, natrafiamy na domenę o

nietypowej strukturze i wyjątkowej funkcji. Dziesiąty seg-

ment spektryny α zawiera, obecną także w występującej

u bezkręgowców spektrynie β-H, domenę SH3 (Ryc. 5A)

[45,46]. Domena ta zbudowana jest z około 60 reszt amino-

kwasowych formujących ściśle upakowaną baryłkę β złożo-

ną z 5 przeciwrównoległych włókien b [47]. Domeny SH3 są

powszechnie występującymi w wielu białkach elementami

strukturalnymi (kinazy tyrozynowe, kinaza PI3, GTPaza

Ras) biorącymi udział w przekazywaniu sygnałów komór-

kowych oraz wiązaniu ligandów z domenami bogatymi w

reszty proliny [48]. Występowanie w cząsteczce spektryny

domeny SH3, zdolnej do wiązania (poprzez domenę bogatą

w reszty proliny) białek zawierających domeny SH2, wią-

żących z kolei ufosforylowane substraty kinaz tyrozyno-

wych np. hssh3bp1/e3B1, może świadczyć o zaangażowa-

niu spektryny w przekazywanie sygnałów komórkowych

[49,50].

DOMENA WIĄZANIA KALMODULINY

Najdłuższy z segmentów spektryny αII, segment 11, od-

grywa ważną rolę w zdolności szkieletu spektrynowego do

reorganizacji. W obrębie helisy C tego segmentu znajduje

się miejsce wyjątkowo wrażliwe na trawienie proteazami

(Ryc. 5B), do których zaliczyć możemy kalpainę, kaspazy

2, 3 i 7 oraz proteazę serynową Pet [51]. Aktywność prote-

olityczna, której substratem jest ten element spektryny, re-

gulowana jest na dwa zasadnicze sposoby. Pierwszy polega

na zależnym od jonów wapnia wiązaniu kalmoduliny do

C-końcowego fragmentu tego segmentu spektryny. Wią-

zanie kalmoduliny w tym miejscu pociąga za sobą zmianę

konformacyjną pętli w amfipatyczną helisę, zwiększając jej

podatność na proteolizę przez kalpainę, jednocześnie blo-

kując hydrolizę tego fragmentu przez kaspazy [52]. Dru-

gim sposobem regulacji jest odwracalna fosforylacja reszty

tyrozyny w pozycji 1176 przez kinazę Src, która przyłącza

się do sąsiadującego z domeną SH3 N-końca 11 segmentu

spektryny α. Fosforylacja czyni spektrynę odporną na dzia-

łanie kalpainy [53]. Omawiana domena jest zatem miejscem

krzyżowania się kaskad sygnałowych, mających znaczenie

w funkcjonowaniu szkieletu spektrynowego [51].

DOMENA Z MOTYWEM „EF-HAND”

Kierując się dalej w stronę karboksylowego końca spek-

tryny α znajdziemy tzw. motyw „EF-hand” (helisa-pętla-he-

lisa) o strukturze podobnej do tej występującej w cząsteczce

kalmoduliny, który podobnie jak kalmodulina, ulega zależ-

nym od jonów wapnia zmianom konformacyjnym [54]. Za-

sadniczą różnicą między omawianą domeną a kalmoduliną

jest obecność w spektrynie zaledwie dwóch motywów EF-

-hand (kalmodulina posiada ich 4), które wiążą jony wapnia

w niefizjologicznie wysokich stężeniach [55]. Do niedawna

sądzono, iż zdolność do wiązania jonów wapnia zachowa-

na jest jedynie w przypadku nieerytrocytarnych spektryn

α, posiadających motyw helisa-pętla-helisa, koordynujący

wiązanie jonów wapnia. Jednak opublikowane w ostatnim

czasie dane wykazały, iż taką możliwość posiada również

spektryna erytrocytarna, tym samym rzucając nowe światło

na rolę tej domeny w funkcjonowaniu szkieletu błonowego

[5]. Okazuje się, iż domena ta może brać udział w zależnym

od jonów wapnia oddziaływaniu z białkiem 4.2, którego

udział w formowaniu kompleksu węzłowego pozostawał

niezauważony. Jony wapnia wzmacniają to oddziaływanie

3-5 krotnie, a jest ono regulowane przez kalmodulinę, która

hamuje zależne od wapnia wiązanie białka 4.2. Domena ta,

może odgrywać rolę we wzmacnianiu kompleksu węzło-

wego oraz uczestniczyć w regulacji wiązania aktyny przez

sąsiadujące z nią domeny 2CH spektryny β.

DOMENA WIĄZANIA AKTYNY

Aminowy koniec spektryny β zawiera domenę zbudowa-

ną z dwóch motywów homologicznych do wiążącego akty-

nę białka mięśni gładkich, kalponiny (2CH) (Ryc. 5C) [56].

Zasadniczą rolą tej domeny w spektrynie i innych białkach

jej rodziny i nadrodziny, jest boczne wiązanie filamentów

Rycina 5. Wyspecjalizowane domeny spektryny. A) Domena SH3. Struktura

krystaliczna domeny SH3 spektryny α kury. B) Domena wiązania kalmoduliny.

Struktura krystaliczna kompleksu kalmodulina — spektryna αII; kolorem zielo-

nym zaznaczono helisę należącą do spektryny (reszty: 1189-1211). C) Domena

CH. Struktura krystaliczna domeny CH spektryny β człowieka. D) Domena PH.

Struktura krystaliczna domeny plekstrynowej spektryny β myszy. Struktury zo-

stały wygenerowane przy pomocy programu Yasara.

250

www.postepybiochemii.pl

aktynowych, co jest kluczowe w organizacji szkieletu bło-

nowego. Domena wiązania aktyny (2CH) jest powszechna

w białkach rodziny spektryna-α-aktynina-dystrofina (biał-

ka blisko spokrewnione ze sobą) oraz nadrodziny spektryn,

niepodobnych pod innymi względami do spektryny [57].

Pierwszy z motywów CH (do 186 reszty aminokwasowej)

pełni zasadniczą funkcję wiązania aktyny, podczas gdy

drugi motyw CH (do 272 reszty aminokwasowej) wzmac-

nia to wiązanie lub pełni funkcję regulatorową [58]. Wią-

zanie aktyny nie jest funkcją jedynie strukturalną. Okazuje

się, iż cząsteczka spektryny posiadająca możliwość wiąza-

nia wielu ligandów może służyć za przekaźnik sygnałów

reorganizujących szkielet aktynowy. W przypadku den-

drytów, proponuje się udział spektryny w modulowaniu

morfologii i funkcji tych struktur, poprzez oddziaływanie z

aktyną i GTPazą Rac3 [59]. Natomiast w komórkach nabłon-

kowych oddziaływanie spektryny z aktyną może pełnić

funkcję przekaźnika sygnałów pomiędzy aktyną a lamininą

511/521 [60].

DOMENA WIĄZANIA ANKIRYNY

Zlokalizowana w C-końcowej części spektryny β, a do-

kładniej w obrębie segmentu 14 i 15 [61], domena wiąza-

nia ankiryny nie wykazuje, na pierwszy rzut oka, żadnych

charakterystycznych różnic w stosunku do pozostałych

segmentów spektrynowych. Jest to zaskakujący fakt, zwa-

żywszy, iż wiązanie do ankiryny jest zasadniczym punk-

tem kotwiczącym spektrynę do błony. W związku z tym,

oddziaływanie spektryny z ankiryną było dla badaczy fa-

scynującym zagadnieniem, którego rozwiązanie przero-

dziło się w pewnego rodzaju wyścig pomiędzy różnymi

grupami. Niedawno opublikowane (w tym samym czasie)

struktury krystaliczne domeny wiązania ankiryny oraz

kompleksu ankiryna-spektryna wyjaśniły mechanizm wią-

zania ankiryny ze spektryną (Ryc. 6). Główną rolę w tym

oddziaływaniu odgrywa zachowany w ewolucji, hydrofilo-

wy obszar zlokalizowany w segmencie 14, obejmujący m.in.

reszty E1710, E1773, D1777, D1781, E1784, T1788 [62-65].

Drugim elementem biorącym udział w tym oddziaływaniu,

jest pętla pomiędzy helisami B i C segmentu 15 spektryny

z resztami A1865, Y1866 i A1867 [62,66]. Oddziaływanie

spektryna-ankiryna opiera się na oddziaływaniu ujemnie

naładowanego obszaru w segmencie 14 spektryny z ob-

darzoną ładunkiem dodatnim powierzchnią na cząsteczce

ankiryny, zlokalizowaną w domenie ZU5 [62,66]. Oddziały-

wanie to jest dodatkowo stabilizowane przez hydrofobowe

oddziaływania domeny ZU5 ze wspomnianą pętlą segmen-

tu 15 [66,67]. Niedawne badania wykazały, iż rola oddzia-

ływań hydrofobowych w wiązaniu spektryna-ankiryna

może być większa od dotychczas zakładanej. Wydaje się, że

reszty aminokwasowe A1780, L1785, T1788, L1792 tworzą

powierzchnię umożliwiającą odpowiednie dopasowanie

pomiędzy białkami, uzupełniając w ten sposób oddziaływa-

nia elektrostatyczne [67]. Jak wynika z badań nad struktu-

rami krystalicznymi, tandemowe powtórzenie spektrynowe

obejmujące segmenty 14 i 15 wyróżnia się tylko jedną cechą.

Łącznik pomiędzy tymi segmentami wydaje się niezwy-

kle elastyczny w porównaniu z pozostałymi segmentami

spektryny [63]. Umożliwia on „zgięcie” o kąt 64°, co tworzy

swego rodzaju kieszeń idealnie dopasowującą się do czą-

steczki ankiryny. Możliwości strukturalnej rearanżacji tego

fragmentu spektryny doskonale wpisują się w funkcję tego

białka, ale także sugerują możliwość regulacji oddziaływa-

nia z innymi ligandami [68]. Mechanizm oparty na podob-

nym procesie został zaproponowany na podstawie badań

prowadzonych w naszym laboratorium, które wykazały

zmiany konformacyjne w obrębie domeny wiązania ankiry-

ny, polegające na rozejściu się helis 14 segmentu, w trakcie

oddziaływania z lipidami [69,70]. Domena wiązania ankiry-

ny jest idealnym przykładem wielofunkcyjności spektryny

oraz ukazuje mnogość możliwości, jakie zawarte są w trój-

helikalnej strukturze segmentu spektrynowego.

DOMENA ZALEŻNEGO OD ANKIRYNY

WIĄZANIA LIPIDÓW

Spektryna, zarówna erytrocytarna, jak i nieerytrocytar-

na, posiada zdolność do oddziaływania z różnymi lipida-

mi, w którym to oddziaływaniu pośredniczą poszczególne

segmenty spektrynowe oraz domena plekstrynowa [22].

Jednakże dotychczas, poza domeną plekstrynową, nie opi-

sano mechanizmów odpowiedzialnych za oddziaływanie

spektryny z lipidami, jak również struktury miejsc od-

powiedzialnych za to oddziaływanie. Dopiero niedawne

opracowania rzuciły światło na strukturę miejsca wiązania

lipidów, zlokalizowanego w obrębie domeny wiązania an-

kiryny, a także wyjaśniły mechanizm tego oddziaływania.

Zdolność do wiązania lipidów przez domenę wiązania

ankiryny została odkryta kilkanaście lat temu a cechami

charakterystycznymi tego oddziaływania była jego sto-

sunkowo wysoka specyficzność w stosunku do mono- i

dwuwarstw sporządzonych z mieszaniny lipidowej PE/

PC oraz wrażliwość na hamowanie przez ankirynę [71]. Ko-

lejne badania wykazały, iż miejsce to zlokalizowane jest w

N-końcowym fragmencie helisy C 14 segmentu spektryny

erytrocytarnej β oraz, że w trakcie oddziaływania z lipida-

mi dochodzi do zmian strukturalnych w obrębie tego seg-

mentu spektryny [69,72]. Najnowsze wyniki naszych badań

wykazały, iż miejsce wiązania lipidów utworzone jest przez

cztery hydrofobowe reszty aminokwasowe W1771, L1775,

M1778 i W1779, tworzące hydrofobową powierzchnię na

helisie C, 14 segmentu (Ryc. 7) [73]. Model utworzony na

podstawie wyników pomiarów prowadzonych w roztwo-

rze z wykorzystaniem techniki ukierunkowanego znako-

wania spinowego (SDSL, ang. Site-Directed Spin Labelling)

oraz z wykorzystaniem danych ze struktur krystalicznych

Rycina 6. Kompleks spektryna ankiryna. Struktura krystaliczna kompleksu frag-

mentu spektryny (reszty 1583-1906) zawierającego domenę wiązania ankiryny

z ankirynową domeną ZU5 (reszty 911- 1068). Struktury zostały wygenerowane

przy pomocy programu Yasara.

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

251

wyjaśnia mechanizm tego oddziaływania oraz jego wrażli-

wość na ankirynę. Model przedstawia dwa „stany” domeny

wiązania ankiryny, „otwarty” i „zamknięty”, które spełniają

różne funkcje [73]. „Otwarta” konformacja domeny wiąza-

nia ankiryny ma miejsce podczas oddziaływania tej domeny

z lipidami (Ryc. 7A). Dochodzi wtedy do częściowego rozej-

ścia się helis 14 segmentu, w wyniku czego znajdujące się

pomiędzy helisami, miejsce wiązania lipidów zostaje odsło-

nięte, co umożliwia domenie wiązania ankiryny wiązanie

lipidów. W przypadku oddziaływania z ankiryną, mamy

do czynienia z odwrotną sytuacją, w której domena wiąza-

nia ankiryny znajduje się w „stanie zamkniętym” (Ryc. 7B).

Ankiryna, wiążąc się do spektryny, oddziałuje między in-

nymi z resztami aminokwasowymi E1710, E1777 i D1781,

znajdującymi się na przeciwległych helisach 14 segmentu.

W wyniku tego wiązania helisy zostają „spięte” przez an-

kirynę co wyklucza ich ruch, a w konsekwencji uniemoż-

liwia ekspozycję miejsca wiązania lipidów. Oddziaływanie

domeny wiązania ankiryny z lipidami można rozważać

zarówno w kontekście fizjologicznym, jak i w kontekście

stanów patologicznych będących skutkiem ubytków anki-

ryny. W tym pierwszym przypadku domeny spektryny nie

zajęte przez ankirynę (ok. 50% w erytrocytach) mogą pełnić

funkcję wzmacniającą i stabilizującą sieć spektrynową. Taką

rolę spektryny sugerują badania na cieniach erytrocytów i

komórkach HeLa, [73,74], w których w przypadku destabi-

lizacji wiązania spektryna-dwuwarstwa dochodzi do zna-

czących zmian struktury szkieletu błonowego i właściwości

barierowych błony. Potwierdzają to niepublikowane dane

z badań nad komórkami linii WC256, w których zerwanie

wiązania spektryna-dwuwarstwa prowadzi do znacznego

zahamowania, opartego na pęcherzykowaniu (ang. „bleb-

bing”), ruchu komórek. W ruchu tego typu podstawowymi

elementami odpowiedzialnymi za przemieszczanie się ko-

mórki są pęcherzyki błonowe, mogące przyjmować postać

wypustek, a które pozbawione są głównych elementów

szkieletu komórkowego. Obecna jest natomiast w pęche-

rzykach spektryna oraz inne elementy szkieletu błonowe-

go [75]. W przypadku ubytków ankiryny, domena wiąza-

nia lipidów pełni prawdopodobnie funkcję kompensującą,

zmniejszając fenotypowy efekt braku ankiryny (Wolny, Ma-

deja i wsp., dane niepublikowane).

DOMENA PLEKSTRYNOWA

Karboksylowy koniec „długich izoform” nieerytrocytar-

nych spektryn β zawiera krótką (100–120 reszt aminokwa-

sowych) domenę plekstrynową (Ryc. 5D). Domeny tego

typu są spotykane w wielu białkach i wykazują możliwość

oddziaływania zarówno z lipidami jak i z białkami. Charak-

terystyczną cechą łączącą wszystkie domeny plekstrynowe

jest ich rola w przekazywaniu sygnału i lokalizacja w okoli-

cach błony [3,76]. Domena ta zbudowana jest z 7 włókien β

uformowanych w β baryłkę, na której C-końcu znajduje się

fragment α-helikalny [77]. Spektrynowa domena PH wiąże

lipidy z grupy fosfatydyloinozytoli na zasadzie oddziały-

wań elektrostatycznych. Wyspecjalizowana domena od-

działująca z lipidami wydaje się dobrym punktem przycze-

pu do błony, tymczasem oddziaływanie to charakteryzuje

się niską specyficznością i powinowactwem, co wyklucza

istotną rolę tej domeny w wiązaniu z błoną. Jednakże, na-

leży pamiętać, iż sieć spektrynowa utworzona jest z wielu

podjednostek, a ponadto tetramery spektrynowe zorgani-

zowane są w sposób umożliwiający bliskie sąsiedztwo do-

men PH. Oznacza to, iż w tym przypadku możemy mieć

do czynienia z ilościowym efektem, sumującym oddziały-

wania pojedynczych domen z błoną. Tworzyłoby to sytu-

ację, w której jedynie prawidłowo uformowana sieć spek-

trynowa byłaby zdolna do bezpośredniego oddziaływania

z błoną poprzez tę domenę, natomiast pojedyncza domena

plekstrynowa nie mogłaby odgrywać znaczącej roli w wa-

runkach fizjologicznych.

DEFEKTY SZKIELETU BŁONOWEGO

Opisując strukturę i funkcje spektryny nie sposób nie

wspomnieć o patologicznych następstwach zmian w ge-

nach kodujących spektryny lub inne ważne białka szkieletu

błony. Najczęstszym skutkiem zaburzeń w funkcjonowaniu

szkieletu błonowego (którego spektryna jest kluczowym

elementem) w erytrocytach są choroby z grupy anemii he-

molitycznych. Możemy tutaj wyróżnić przede wszystkim

sferocytozę i eliptocytozę (wraz z jej licznymi odmianami).

Każda z tych chorób ma odrębne podłoże genetyczne, jed-

nakże ich wspólną cechą jest defekt w obrębie jednego lub

kilku białek tworzących szkielet błonowy [78,79]. Przyczy-

nami molekularnymi dziedzicznej sferocytozy (HS) są mu-

tacje w genach kodujących białka szkieletu błony erytrocytu:

ankiryny (ANK1), spektryny α (SPTA1), spektryny β (SPTB),

białka 4.2 (EPB42), oraz białka przenoszącego aniony, BPA

(SLC4A1). Szacuje się, że 45% przypadków HS związanych

jest z ubytkiem ankiryny, 28% z ubytkiem spektryny, 22%

z ubytkiem BPA, a 5% z ubytkiem białka 4.2 [44]. Jak nie-

trudno zauważyć są to białka związane z tworzeniem kom-

pleksu kotwiczącego spektrynę do błony, obejmujące tzw.

Rycina 7. Zmiany konformacyjne w obrębie domeny wiązania ankiryny w trakcie

oddziaływania z lipidami. A) Struktura „otwarta” domeny wiązania ankiryny.

Rozejście się helis 14 segmentu umożliwia ekspozycję miejsca wiązania lipidów

(kolor zielony). B) Struktura „zamknięta” domeny wiązania ankiryny. Wiązanie

ankiryny do reszt aminokwasowych zlokalizowanych na przeciwległych heli-

sach (kolor fioletowy) uniemożliwia ruch helis, hamując oddziaływanie z lipida-

mi [73]. Struktury zostały wygenerowane przy pomocy programu Yasara.

252

www.postepybiochemii.pl

„oddziaływania pionowe” w obrębie szkieletu. Zaburzenie

tych oddziaływań skutkuje odłączeniem szkieletu od błony

i utratą przez erytrocyty właściwego, dwuwklęsłego kształ-

tu (Ryc. 8A). Formują się sferocyty (Ryc. 8B), które ulegają

znacznie szybszej hemolizie lub są wyłapywane w śledzio-

nie. Co ciekawe, doświadczenia przeprowadzone na punk-

towych mutantach domeny wiązania ankiryny przez Ipsaro

i wsp. [38] wykazały, iż mające podłoże kliniczne mutacje

tej domeny nie wpływają w znaczący sposób na oddzia-

ływanie z ankiryną in vitro. Obserwowano natomiast dra-

styczne obniżenie stabilności termicznej domeny wiązania

ankiryny.

Drugim typem defektów, są zmiany w spektrynie obej-

mujące tzw. „oddziaływania poziome” w obrębie szkieletu.

Są to najczęściej mutacje w genach spektryny α i β powodu-

jące utratę zdolności spektryny do tworzenia tetramerów.

W niektórych przypadkach stwierdza się również mutacje

w genach białek 4.1 i glikoforyny C. Defekty tego typu pro-

wadzą do różnych postaci eliptocytozy, charakteryzujących

się występowaniem krwinek o eliptycznych bądź owalnych

kształtach, które pozbawione są zdolności do elastycznych

odkształceń jaką prezentują erytrocyty. Eliptocyty mają

również obniżoną odporność mechaniczną i osmotyczną, a

zatem zmniejszoną przeżywalność [44].

PODSUMOWANIE

Z przedstawionych danych literaturowych wyłania się

obraz białka nie tylko pełniącego kluczową rolę struktural-

ną w zachowaniu właściwości błony komórkowej, ale rów-

nież, jak wynika z najnowszych doniesień, białka mogącego

pełnić wiele innych funkcji. Dane te pokazują, jak ważnym

białkiem w przebiegu wielu procesów komórkowych jest

spektryna oraz jak bardzo struktura białka determinuje jego

funkcję w układach biologicznych. Spektryna, wydaje się

zatem, przykładem molekularnej konstrukcji, która dzięki

zróżnicowaniu poszczególnych jej elementów przystosowa-

na jest do pełnienia licznych, częściowo poznanych funkcji,

choć wiele z nich ciągle pozostaje nie poznanymi.

Powszechność szkieletu błonowego, a także jego uniwer-

salna budowa, pozwala sądzić, iż defekty w jego obrębie w

komórkach innych niż erytrocyty, również powodują po-

wstawanie stanów chorobowych. Chociaż dotychczas nie

udało się jednoznacznie dowieść korelacji pomiędzy zmia-

nami w obrębie szkieletu błonowego (poza erytrocytami),

a konkretnymi chorobami, istnieją przesłanki sugerujące,

iż zmiany w obrębie spektryny odgrywają ważną rolę w

przebiegu chorób neurodegeneracyjnych [80]. Przykładem

może tu być ataksja rdzeniowo-móżdżkowa typu 5 (SCA5).

Z chorobą tą, łączą się mutacje typu utraty funkcji, w ge-

nie kodującym spektrynę mózgową. Zmiany w spektrynie

miałyby powodować osłabienie mechaniczne neuronów

oraz upośledzenie szlaku wydzielania kwasu glutamino-

wego [81,82]. Mogłyby także wpływać na organizację kom-

ponentów presynaptycznych. Jak można podejrzewać, nie

tylko zmiany w spektrynie prowadzą do powstania stanów

patologicznych. Mutacje w genie kodującym ankirynę B są

przyczyną dziedzicznej arytmii sercowej. Przypuszcza się,

że molekularną podstawą choroby jest zaburzenie transpor-

tu jonów wapnia w kardiomiocytach, co spowodowane jest

nieprawidłowym funkcjonowaniem kompleksów Na

ATPaza-wymiennik jonów Na

/Ca

-IP3R, które tworzone

są poprzez połączenia z ankiryną [9]. Mimo mocnych prze-

słanek wskazujących jako podstawę wielu chorób defekty

szkieletu błonowego komórek innych niż erytrocyty, jest

to wciąż stosunkowo mało zbadane pole, wymagające dal-

szych studiów.

PIŚMIENNICTWO

1. Byers TJ, Branton D (1985) Visualization of the protein associations in

the erythrocyte membrane skeleton. Proc Natl Acad Sci USA 82: 6153-

6157

2. Bennett V, Baines AJ (2001) Spectrin and ankyrin-based pathways:

metazoan inventions for integrating cells into tissues. Physiol Rev 81:

1353-1392

3. Bok E, Hryniewicz-Jankowska A, Sikorski AF (2009) Białka aktyno-

wego szkieletu komórki i błony partnerami lipidów. Postepy Biochem

55: 207-222

4. Salomao M, Zhang X, Yang Y, Lee S, Hartwig JH, Chasis JA, Mohandas

N, An X (2008) Protein 4.1R-dependent multiprotein complex: new in-

sights into the structural organization of the red blood cell membrane.

Proc Natl Acad Sci USA 105: 8026-8031

5. Korsgren C, Peters LL, Lux SE (2010) Protein 4.2 binds to the carbox-

yl-terminal EF-hands of erythroid alpha-spectrin in a calcium- and

calmodulin-dependent manner. J Biol Chem 285: 4757-4770

6. Khan AA, Hanada T, Mohseni M, Jeong JJ, Zeng L, Gaetani M, Li D,

Reed BC, Speicher DW, Chishti AH (2008) Dematin and adducin pro-

vide a novel link between the spectrin cytoskeleton and human eryth-

rocyte membrane by directly interacting with glucose transporter-1. J

Biol Chem 283: 14600-14609

7. Bennett V, Stenbuck PJ (1980) Association between ankyrin and the

cytoplasmic domain of band 3 isolated from the human erythrocyte

membrane. J Biol Chem 255: 6424-6432

8. Tanner MJ (1993) Molecular and cellular biology of the erythrocyte an-

ion exchanger (AE1). Semin Hematol 30: 34-57

9. Bennett V, Healy J (2008) Organizing the fluid membrane bilayer: dis-

eases linked to spectrin and ankyrin. Trends Mol Med 14: 28-36

10. Baines AJ (2010) The spectrin-ankyrin-4.1-adducin membrane skel-

eton: adapting eukaryotic cells to the demands of animal life. Proto-

plasma 244: 99-131

11. Drenckhahn D, Schluter K, Allen DP, Bennett V (1985) Colocalization

of band 3 with ankyrin and spectrin at the basal membrane of interca-

lated cells in the rat kidney. Science 230: 1287-1289

12. De Matteis MA, Morrow JS (2000) Spectrin tethers and mesh in the

biosynthetic pathway. J Cell Sci 113: 2331-2343

13. Watabe H, Valencia JC, Le Pape E, Yamaguchi Y, Nakamura M, Rou-

zaud F, Hoashi T, Kawa Y, Mizoguchi M, Hearing VJ (2008) Involve-

ment of dynein and spectrin with early melanosome transport and

melanosomal protein trafficking. J Invest Dermatol 128: 162-174

Rycina 8. Porównanie erytrocytu normalnego (A) ze sferocytem (B). Sferocyt tra-

ci naturalny dla erytrocytów dwuwklęsły kształt przyjmując postać kuli/sfery

[Wróblewska AM, dane niepublikowane].

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

253

14. Kizhatil K, Sandhu NK, Peachey NS, Bennett V (2009) Ankyrin-B is

required for coordinated expression of beta-2-spectrin, the Na/K-

ATPase and the Na/Ca exchanger in the inner segment of rod photo-

receptors. Exp Eye Res 88: 57-64

15. Sikorski AF, Sangerman J, Goodman SR, Critz SD (2000) Spectrin

(betaSpIIsigma1) is an essential component of synaptic transmission.

Brain Res 852: 161-166

16. Sikorski AF, Terlecki G, Zagon IS, Goodman SR (1991) Synapsin I-me-

diated interaction of brain spectrin with synaptic vesicles. J Cell Biol

114: 313-318

17. Susuki K, Raphael AR, Ogawa Y, Stankewich MC, Peles E, Talbot WS,

Rasband MN (2011) Schwann cell spectrins modulate peripheral nerve

myelination. Proc Natl Acad Sci USA 108: 8009-8014

18. Gao Y, Perkins EM, Clarkson YL, Tobia S, Lyndon AR, Jackson M,

Rothstein JD (2011) Beta-III spectrin is critical for development of

purkinje cell dendritic tree and spine morphogenesis. J Neurosci 31:

16581-16590

19. Puchkov D, Leshchyns’ka I, Nikonenko AG, Schachner M, Sytnyk V

(2011) NCAM/spectrin complex disassembly results in PSD perfo-

ration and postsynaptic endocytic zone formation. Cereb Cortex 21:

2217-2232

20. Machnicka B, Grochowalska R, Boguslawska DM, Sikorski AF,

Lecomte MC (2012) Spectrin-based skeleton as an actor in cell signal-

ing. Cell Mol Life Sci 69: 191-201

21. Metral S, Machnicka B, Bigot S, Colin Y, Dhermy D, Lecomte MC

(2009) AlphaII-spectrin is critical for cell adhesion and cell cycle. J Biol

Chem 284: 2409-2418

22. Grzybek M, Chorzalska A, Bok E, Hryniewicz-Jankowska A, Czogalla

A, Diakowski W, Sikorski AF (2006) Spectrin-phospholipid interac-

tions. Existence of multiple kinds of binding sites? Chem Phys Lipids

141: 133-141

23. Ciana A, Achilli C, Balduini C, Minetti G (2011) On the association

of lipid rafts to the spectrin skeleton in human erythrocytes. Biochim

Biophys Acta 1808: 183-190

24. Sahr KE, Laurila P, Kotula L, Scarpa AL, Coupal E, Leto TL, Linnen-

bach AJ, Winkelmann JC, Speicher DW, Marchesi VT (1990) The com-

plete cDNA and polypeptide sequences of human erythroid alpha-

spectrin. J Biol Chem 265: 4434-4443

25. Winkelmann JC, Chang JG, Tse WT, Scarpa AL, Marchesi VT, Forget

BG (1990) Full-length sequence of the cDNA for human erythroid be-

ta-spectrin. J Biol Chem 265: 11827-11832

26. Chang JG, Scarpa A, Eddy RL, Byers MG, Harris AS, Morrow JS, Wat-

kins P, Shows TB, Forget BG (1993) Cloning of a portion of the chromo-

somal gene and cDNA for human beta-fodrin, the nonerythroid form

of beta-spectrin. Genomics 17: 287-293

27. Yan Y, Winograd E, Viel A, Cronin T, Harrison SC, Branton D (1993)

Crystal structure of the repetitive segments of spectrin. Science 262:

2027-2030

28. Speicher DW, Marchesi VT (1984) Erythrocyte spectrin is comprised of

many homologous triple helical segments. Nature 311: 177-180

29. Kusunoki H, MacDonald RI, Mondragon A (2004) Structural insights

into the stability and flexibility of unusual erythroid spectrin repeats.

Structure 12: 645-656

30. Kusunoki H, Minasov G, Macdonald RI, Mondragon A (2004) Inde-

pendent movement, dimerization and stability of tandem repeats of

chicken brain alpha-spectrin. J Mol Biol 344: 495-511

31. Scott KA, Batey S, Hooton KA, Clarke J (2004) The folding of spectrin

domains I: wild-type domains have the same stability but very diffe-

rent kinetic properties. J Mol Biol 344: 195-205

32. An X, Guo X, Zhang X, Baines AJ, Debnath G, Moyo D, Salomao M,

Bhasin N, Johnson C, Discher D, Gratzer WB, Mohandas N (2006)

Conformational stabilities of the structural repeats of erythroid spec-

trin and their functional implications. J Biol Chem 281: 10527-10532

33. Law R, Liao G, Harper S, Yang G, Speicher DW, Discher DE (2003)

Pathway shifts and thermal softening in temperature-coupled forced

unfolding of spectrin domains. Biophys J 85: 3286-3293

34. Paramore S, Voth GA (2006) Examining the influence of linkers and

tertiary structure in the forced unfolding of multiple-repeat spectrin

molecules. Biophys J 91: 3436-3445

35. Johnson CP, Tang HY, Carag C, Speicher DW, Discher DE (2007) For-

ced unfolding of proteins within cells. Science 317: 663-666

36. Krieger CC, An X, Tang HY, Mohandas N, Speicher DW, Discher DE

(2011) Cysteine shotgun-mass spectrometry (CS-MS) reveals dynamic

sequence of protein structure changes within mutant and stressed

cells. Proc Natl Acad Sci USA 108: 8269-8274

37. Speicher DW, Weglarz L, DeSilva TM (1992) Properties of human red

cell spectrin heterodimer (side-to-side) assembly and identification of

an essential nucleation site. J Biol Chem 267: 14775-14782

38. Ipsaro JJ, Harper SL, Messick TE, Marmorstein R, Mondragon A,

Speicher DW (2010) Crystal structure and functional interpretation of

the erythrocyte spectrin tetramerization domain complex. Blood 115:

4843-4852

39. Mehboob S, Luo BH, Fu W, Johnson ME, Fung LW (2005) Conforma-

tional studies of the tetramerization site of human erythroid spectrin

by cysteine-scanning spin-labeling EPR methods. Biochemistry 44:

15898-15905

40. Salomao M, An X, Guo X, Gratzer WB, Mohandas N, Baines AJ (2006)

Mammalian alpha I-spectrin is a neofunctionalized polypeptide ada-

pted to small highly deformable erythrocytes. Proc Natl Acad Sci USA

103: 643-648

41. Mehboob S, Song Y, Witek M, Long F, Santarsiero BD, Johnson ME,

Fung LW (2010) Crystal structure of the nonerythroid alpha-spectrin

tetramerization site reveals differences between erythroid and nonery-

throid spectrin tetramer formation. J Biol Chem 285: 14572-14584

42. Sevinc A, Fung LW (2011) Non-erythroid beta spectrin interacting pro-

teins and their effects on spectrin tetramerization. Cell Mol Biol Lett

16: 595-609

43. Bignone PA, Baines AJ (2003) Spectrin alpha II and beta II isoforms

interact with high affinity at the tetramerization site. Biochem J 374:

613-624

44. Gallagher PG (2005) Red cell membrane disorders. Hematology Am

Soc Hematol Educ Program 2005: 13-18

45. Wasenius VM, Saraste M, Salven P, Eramaa M, Holm L, Lehto VP

(1989) Primary structure of the brain alpha-spectrin. J Cell Biol 108:

79-93

46. Dubreuil RR, Byers TJ, Stewart CT, Kiehart DP (1990) A beta-spectrin

isoform from Drosophila (beta H) is similar in size to vertebrate dystro-

phin. J Cell Biol 111: 1849-1858

47. Musacchio A, Noble M, Pauptit R, Wierenga R, Saraste M (1992) Cry-

stal structure of a Src-homology 3 (SH3) domain. Nature 359: 851-855

48. Pawson T, Scott JD (1997) Signaling through scaffold, anchoring, and

adaptor proteins. Science 278: 2075-2080

49. Ziemnicka-Kotula D, Xu J, Gu H, Potempska A, Kim KS, Jenkins

EC, Trenkner E, Kotula L (1998) Identification of a candidate human

spectrin Src homology 3 domain-binding protein suggests a general

mechanism of association of tyrosine kinases with the spectrin-based

membrane skeleton. J Biol Chem 273: 13681-13692

50. Bialkowska K, Saido TC, Fox JE (2005) SH3 domain of spectrin parti-

cipates in the activation of Rac in specialized calpain-induced integrin

signaling complexes. J Cell Sci 118: 381-395

51. Czogalla A, Sikorski AF (2005) Spectrin and calpain: a ‘target’ and a

‘sniper’ in the pathology of neuronal cells. Cell Mol Life Sci 62: 1913-

1924

52. Simonovic M, Zhang Z, Cianci CD, Steitz TA, Morrow JS (2006) Struc-

ture of the calmodulin alphaII-spectrin complex provides insight into

the regulation of cell plasticity. J Biol Chem 281: 34333-34340

53. Nicolas G, Fournier CM, Galand C, Malbert-Colas L, Bournier O, Kro-

viarski Y, Bourgeois M, Camonis JH, Dhermy D, Grandchamp B, Le-

comte MC (2002) Tyrosine phosphorylation regulates alpha II spectrin

cleavage by calpain. Mol Cell Biol 22: 3527-3536

54. Trave G, Lacombe PJ, Pfuhl M, Saraste M, Pastore A (1995) Molecular

mechanism of the calcium-induced conformational change in the spec-

trin EF-hands. EMBO J 14: 4922-4931

254

www.postepybiochemii.pl

Spectrin — variety of functions hidden in the structure

Marcin Wolny

, Anna M. Wróblewska

, Beata Machnicka

, Aleksander F. Sikorski

1,*

University of Wrocław, Laboratory of Cytobiochemistry, Faculty of Biotechnology, 63/77 Przybyszewskiego St., 51-148 Wrocław, Poland

University of Zielona Góra, Department of Molecular Biology, Faculty of Biological Sciences, 1 Prof. Z. Szafrana St., 65-516 Zielona Góra, Poland

e-mail: afsbc@ibmb.uni.wroc.pl

Key words: membrane skeleton, spectrin, cell membrane, ankyrin, hemolytic anemia

ABSTRACT

Membrane skeleton is a structure that provides strength and elasticity to the erythrocyte membrane. This features stem from the main compo-

nent of this structure, a multifunctional protein called spectrin. Spectrin forms a network underlying membrane bilayer containing integral

membrane proteins which interact with multiple proteins and lipid partners. Although membrane skeleton and spectrin structure have been

described before, the latest discoveries show their new details and properties. In this work we summarize recent findings concerning structure

and function of spectrin together with its possible role in pathology. We focus our interest on lately published structural data and we make

an attempt to combine these findings with possible physiological functions.

55. Buevich AV, Lundberg S, Sethson I, Edlund U, Backman L (2004)

NMR studies of calcium-binding to mutant alpha-spectrin EF-hands.

Cell Mol Biol Lett 9: 167-186

56. Karinch AM, Zimmer WE, Goodman SR (1990) The identification and

sequence of the actin-binding domain of human red blood cell beta-

-spectrin. J Biol Chem 265: 11833-11840

57. Hartwig JH (1995) Actin-binding proteins. 1: Spectrin super family.

Protein Profile 2: 703-800

58. Djinovic Carugo K, Banuelos S, Saraste M (1997) Crystal structure of a

calponin homology domain. Nat Struct Biol 4: 175-179

59. Nestor MW, Cai X, Stone MR, Bloch RJ, Thompson SM The actin bin-

ding domain of betaI-spectrin regulates the morphological and func-

tional dynamics of dendritic spines. PLoS One 6: e16197

60. Collec E, Lecomte MC, El Nemer W, Colin Y, Le Van Kim C (2011)

Novel role for the Lu/BCAM-spectrin interaction in actin cytoskeleton

reorganization. Biochem J 436: 699-708

61. Kennedy SP, Warren SL, Forget BG, Morrow JS (1991) Ankyrin binds

to the 15th repetitive unit of erythroid and nonerythroid beta-spectrin.

J Cell Biol 115: 267-277

62. Ipsaro JJ, Huang L, Mondragon A (2009) Structures of the spectrin-an-

kyrin interaction binding domains. Blood 113: 5385-5393

63. Stabach PR, Simonovic I, Ranieri MA, Aboodi MS, Steitz TA, Simo-

novic M, Morrow JS (2009) The structure of the ankyrin-binding site

of beta-spectrin reveals how tandem spectrin-repeats generate unique

ligand-binding properties. Blood 113: 5377-5384

64. La-Borde PJ, Stabach PR, Simonovic I, Morrow JS, Simonovic M (2010)

Ankyrin recognizes both surface character and shape of the 14-15 di-

-repeat of beta-spectrin. Biochem Biophys Res Commun 392: 490-494

65. Davis L, Abdi K, Machius M, Brautigam C, Tomchick DR, Bennett V,

Michaely P (2009) Localization and structure of the ankyrin-binding

site on beta2-spectrin. J Biol Chem 284: 6982-7

66. Ipsaro JJ, Mondragon A (2010) Structural basis for spectrin recognition

by ankyrin. Blood 115: 4093-4101

67. Kolondra A, Lenoir M, Wolny M, Czogalla A, Overduin M, Sikorski

AF, Grzybek M (2010) The role of hydrophobic interactions in ankyrin-

spectrin complex formation. Biochim Biophys Acta 1798: 2084-2089

68. Czogalla A, Sikorski AF (2010) Do we already know how spectrin at-

tracts ankyrin? Cell Mol Life Sci 67: 2679-2683

69. Czogalla A, Grzymajlo K, Jezierski A, Sikorski AF (2008) Phospholip-

id-induced structural changes to an erythroid beta spectrin ankyrin-

dependent lipid-binding site. Biochim Biophys Acta 1778: 2612-2620

70. Czogalla A, Jaszewski AR, Diakowski W, Bok E, Jezierski A, Sikorski

AF (2007) Structural insight into an ankyrin-sensitive lipid-binding

site of erythroid beta-spectrin. Mol Membr Biol 24: 215-224

71. Bialkowska K, Zembron A, Sikorski AF (1994) Ankyrin shares a bind-

ing site with phospholipid vesicles on erythrocyte spectrin. Acta Bio-

chim Pol 41: 155-157

72. Hryniewicz-Jankowska A, Bok E, Dubielecka P, Chorzalska A, Dia-

kowski W, Jezierski A, Lisowski M, Sikorski AF (2004) Mapping of an

ankyrin-sensitive, phosphatidylethanolamine/phosphatidylcholine

mono- and bi-layer binding site in erythroid beta-spectrin. Biochem

J 382: 677-685

73. Wolny M, Grzybek M, Bok E, Chorzalska A, Lenoir M, Czogalla A,

Adamczyk K, Kolondra A, Diakowski W, Overduin M, Sikorski AF

(2011) Key amino acid residues of ankyrin-sensitive phosphatidyleth-

anolamine/phosphatidylcholine-lipid binding site of betaI-spectrin.

PLoS One 6: e21538

74. Chorzalska A, Lach A, Borowik T, Wolny M, Hryniewicz-Jankowska

A, Kolondra A, Langner M, Sikorski AF (2010) The effect of the lipid-

binding site of the ankyrin-binding domain of erythroid beta-spectrin

on the properties of natural membranes and skeletal structures. Cell

Mol Biol Lett 15: 406-423

75. Charras G, Paluch E (2008) Blebs lead the way: how to migrate without

lamellipodia. Nat Rev Mol Cell Biol 9: 730-736

76. Lemmon MA (2008) Membrane recognition by phospholipid-binding

domains. Nat Rev Mol Cell Biol 9: 99-111

77. Macias MJ, Musacchio A, Ponstingl H, Nilges M, Saraste M, Oschki-

nat H (1994) Structure of the pleckstrin homology domain from beta-

spectrin. Nature 369: 675-677

78. Boguslawska DM, Heger E, Sikorski AF (2006) Molekularny mecha-

nizm dziedzicznej sferocytozy. Pol Merkur Lekarski 20: 112-116

79. Barcellini W, Bianchi P, Fermo E, Imperiali FG, Marcello AP, Vercellati

C, Zaninoni A, Zanella A (2011) Hereditary red cell membrane defects:

diagnostic and clinical aspects. Blood Transfus 9: 274-277

80. Goellner B, Aberle H (2011) The synaptic cytoskeleton in development

and disease. Dev Neurobiol 72: 111-125

81. Hammarlund M, Jorgensen EM, Bastiani MJ (2007) Axons break in

animals lacking beta-spectrin. J Cell Biol 176: 269-275

82. Ikeda Y, Dick KA, Weatherspoon MR, Gincel D, Armbrust KR, Dalton

JC, Stevanin G, Durr A, Zuhlke C, Burk K, Clark HB, Brice A, Rothstein

JD, Schut LJ, Day JW, Ranum LP (2006) Spectrin mutations cause spi-

nocerebellar ataxia type 5. Nat Genet 38: 184-190