Das Zentrosom ist das Hauptorganisierungszentrum für Mikrotubuli (MTOC) in menschlichen Zellen und wurde seit Theodor Boveri 1888 umfassend untersucht und beschrieben. Obwohl das Zentrosom eine kleine Organelle ist, ist es für grundlegende zelluläre Funktionen von großer Bedeutung. Die Hauptaufgabe des Zentrosoms, das sich neben dem Kern befindet, besteht darin, die intrazelluläre Organisation von Mikrotubuli zu regulieren., Während der Zellteilung ist das Zentrosom die schlüsselverantwortliche Organelle für die korrekte Bildung und Orientierung der mitotischen Spindel, wodurch eine ordnungsgemäße Trennung der Schwesterchromatide zu jeder der Tochterzellen sichergestellt wird (Nigg EA et al. (2011)).
Im Zellatlas kodieren nachweislich 548 Gene (3% aller proteinkodierenden menschlichen Gene) Proteine, die zum Zentrosom oder zu den Zentriolarsatelliten lokalisiert sind. In Bildern, in denen es möglich war, die Zentriolen zu unterscheiden, wurden Proteine mit der Position „Zentrosom“kommentiert., In Bildern, in denen die Zentriolen nicht nachgewiesen wurden, das Protein jedoch im Zentrum der Mikrotubuli lokalisiert ist, wurden Proteine mit dem Ort „centriolar satellite“ kommentiert (Abbildung 1-2). Die funktionelle Anreicherungsanalyse des Zentrosomproteoms zeigt die Anreicherung von Begriffen für biologische Prozesse im Zusammenhang mit intrazellulärer Organisation und Transport, Organisation von Mikrotubuli, Zellzyklusprogression und Zellteilung.
RAB11FIP5 – A-431
PCNT – U-251 MG
MKKS – U-2 OS
Abbildung 1. Beispiele für Proteine, die auf den Centrosom-und Centriolarsatelliten lokalisiert sind., RAB11FIP5 ist am intrazellulären Transport beteiligt und hat sich bisher nicht zu Zentrosomen lokalisiert. Durch die Verwendung unabhängiger Antikörper wird RAB11FIP5 auf Zentriolarsatelliten lokalisiert (nachgewiesen in A-431-Zellen). PCNT ist eine gut charakterisierte Proteinkomponente der filamentösen Matrix des Zentrosoms mit wichtigen Rollen sowohl bei Mitose als auch bei Meiose (nachgewiesen in U-251-Zellen). MKKS ist ein Zentrosom-Shuttling-Protein, das zu einer röhrenartigen Struktur um die Zentriolen im perizentriolären Material (PCM) lokalisiert ist und für die Zellteilung wichtig ist (nachgewiesen in U-2 OS-Zellen)., Normalerweise pendelt MKKS während des gesamten Zellzyklus zwischen dem Zentrosom und dem Cytosol, aber wenn es mutiert ist, lokalisiert es sich nicht im Zentrosom, was zum McKusick-Kaufman-Syndrom führt, einer Krankheit, die sich in einer beeinträchtigten Entwicklung manifestiert, insbesondere von Händen und Füßen, sowie Herz-und Genitaldefekte.
- 3% (548 Proteine) aller menschlichen Proteine wurden experimentell im Zentrosom durch den menschlichen Proteinatlas nachgewiesen.,
- 145 Proteine im Zentrosom werden durch experimentelle Beweise gestützt und von diesen 36 Proteinen werden durch den menschlichen Proteinatlas verstärkt.
- 428 Proteine im Zentrosom haben mehrere Positionen.
- 28 Proteine im Zentrosom zeigen eine Zelle-zu-Zelle-Variation. Davon zeigen 27 eine Variation der Intensität und 1 eine räumliche Variation.
- Proteine, die am Zentrosom lokalisiert sind, sind hauptsächlich an der intrazellulären Organisation und dem Transport, der Mikrotubuli-Organisation und dem Fortschreiten des Zellzyklus beteiligt.
Abbildung 2., 3% aller menschlichen proteinkodierenden Gene kodieren für Proteine, die auf dem Zentrosom oder den Centriolarsatelliten lokalisiert sind. Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.
Die Struktur des Zentrosoms
Unterstrukturen
- Zentriolarsatellit: 171
- Zentrosom: 377
Das Zentrosom ist eine kleine nicht membrangebundene Organelle, die etwa 1-2 µm3 des zytoplasmatischen Volumens einnimmt (Doxsey S. (2001))., Es besteht aus zwei tonnenförmigen Zentriolen, die jeweils aus neun Mikrotubuli-Drillingen bestehen, die durch Verbinden von Fasern in einem senkrechten Winkel zusammengehalten werden. Die Zentriolen sind von einer amorphen Proteinmatrix umgeben, die gemeinhin als perizentrioläres Material (PCM) bezeichnet wird und Proteine enthält, die an der Keimbildung und Verankerung von Mikrotubuli beteiligt sind, sowie wichtige Zellzyklusregulatoren und andere Signalmoleküle. Pericentrin (Abbildung 1), γ-tubulin, ninein, centriolin und aurora-Kinasen sind einige Beispiele (Doxsey S&Periode; (2001)).,Der γ-Tubulin-Proteinkomplex ist ein hochkonservierter Komplex, der eine offene Ringstruktur mit einem Durchmesser von etwa 25 nm bildet und eine Schlüsselrolle bei der Keimbildung von Mikrotubuli spielt. Als Schlüsselregulator der Mitose ist die Struktur und Zusammensetzung des Zentrosoms hochdynamisch und unterliegt dramatischen organisatorischen Veränderungen während des gesamten Zellzyklus (Bornens M. (2002); Conduit PT et al. (2015)).
Die Centrosomen sowie der Basalkörper der Zilien sind eng von zytoplasmatischen Granula umgeben, die als Centriolarsatelliten bekannt sind (Tollenaere MA et al., (2015); Prosser SL et al. (2020)). Zentriolarsatelliten bewegen sich entlang von Mikrotubuli in Verbindung mit motorischen Proteinen und enthalten bekanntermaßen eine Reihe von Proteinen, die auch in Zentrosomen und Zilien vorkommen. Zentriolare Satelliten können in den meisten Zelltypen beobachtet werden, aber ihre Zusammensetzung, Größe, Anzahl und Lage variiert. Zentriolarsatelliten zerlegen sich beim Eintritt in die Mitose, Bur tritt nach Abschluss der Zytokinese wieder auf.
Eine Auswahl von Proteinen, die als Marker für das Centrosom und die Centriolarsatelliten geeignet sind, finden Sie in Tabelle 1., Eine Liste hoch exprimierter Proteine, die zu Zentrosomen und Zentriolarsatelliten lokalisiert sind, ist in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 1. Auswahl von Proteinen, die als Marker für die Centrosom-und Centriolarsatelliten geeignet sind.,v id=“02794f7097″>
Cytosol
Cytosol
Table 2., Hoch exprimierte Centrosom-und Centriolar-Satellitenmarkerproteine in verschiedenen Zelllinien., oncogene partner
See the morphology of centrosomes in human induced stem cells in the Allen Cell Explorer.,
Die Funktion des Zentrosoms
Die Hauptfunktion des Zentrosoms ist die Organisation von Mikrotubuli in der Zelle, wodurch die Zellform, Polarität, Proliferation, Mobilität und Zellteilung gesteuert werden. Während der S-Phase wird das Zentrosom halbkonservativ repliziert, was zur Bildung eines Tochterzentriols neben jedem der elterlichen Zentriolen führt. Wenn sich die Zelle der Mitose nähert, bewegen sich die beiden Zentrosomen, die jeweils eine elterliche Zentriole und eine reifende Prozentriole enthalten, zu gegenüberliegenden Enden der Zelle., Gleichzeitig nimmt die Menge an umgebenden PCM-Proteinen zu und ermöglicht die Keimbildung von mehr Mikrotubuli. Wenn die Kernmembran zusammenbricht, können Mikrotubuli, die von jedem der Zentrosomen stammen, mit Kinetochoren auf den replizierten Schwesterchromatiden interagieren und die charakteristische mitotische Spindel bilden. Der komplizierte Spindelapparat vermittelt die Trennung von Schwesterchromatiden zu gegenüberliegenden Enden der Zelle, und bei der Zytokinese ist jede der Tochterzellen mit einem Chromosomensatz und einem Zentrosom versehen. Das elterliche Zentrum, d.h., die ältere der beiden in der Zentriole Paar, hat auch eine zentrale Rolle bei der Bildung von Zilien und Flagellen. Darüber hinaus deuten zunehmende Beweise auf eine vielseitigere Funktion des Zentrosoms hin, insbesondere auf seine Fähigkeit, eine Vielzahl zellulärer Funktionen zu koordinieren, indem es als kompakter Knotenpunkt dient, an dem zytoplasmatische Proteine in hohen Konzentrationen interagieren können (Doxsey S. (2001); Rieder CL et al. (2001)).,
Centriolarsatelliten gelten seit langem als Vehikel für den Proteinhandel zum und aus dem Zentrosom und den Zilien und spielen somit eine Rolle bei der dynamischen Regulation der Proteinzusammensetzung in diesen Organellen (Tollenaere MA et al. (2015); Prosser SL et al. (2020)). In der Tat wurden mehrere Proteine, die sich auf Centriolarsatelliten lokalisieren, an der Centrosomenreplikation, Reifung und Trennung beteiligt., In neueren Studien haben sich Centriolarsatelliten jedoch auch als Regulatoren mehrerer anderer zellulärer Prozesse herausgestellt, wie z. B. Proteinabbau und Autophagie, von denen einige unabhängig von Zentrosomen und Zilien sind. In ähnlicher Weise sind Zentrosomen und Zilien nicht vollständig von Zentriolarsatelliten abhängig.,
Als Schlüsselregulatoren der Chromosomensegregation und des Fortschreitens des Zellzyklus werden Anomalien in Anzahl, Größe und Morphologie des Zentrosoms sowie Mutationen in Genen, die für Proteine kodieren, die sich in Zentrosomen lokalisieren, häufig in Zellen beobachtet, die sich einer Tumorigenese unterziehen, aber auch bei einigen anderen Krankheiten (Badano JL et al. (2005)).
Gen-Ontologie (GO)-Analyse von Genen, die für Proteine Kodieren, die die Lokalisierung zu Polkörperchen oder centriolar-Satelliten zeigt Bereicherung der Allgemeinen Beschreibung der Funktionen, die auch im Einklang mit der bestehenden Literatur., Die am stärksten angereicherten Begriffe für den biologischen Prozess der GO-Domäne beziehen sich auf Mitose und Zytokinese, Zellzyklusprogression, Endozytose, Organisation des Mikrotubuli-Zytoskeletts und Organisation von Organellen (Abbildung 3a). Anreicherung Die Analyse der molekularen Funktion der GO-Domäne zeigt die Anreicherung von Begriffen, die die Bindung an Mikrotubuli und motorische Proteine sowie die motorische Aktivität beschreiben (Abbildung 3b).
Abbildung 3a. Gen-Ontologie-basierte Anreicherung, – Analyse für die centrosome Proteom zeigt die signifikant angereicherten Bedingungen für das GEHEN domain Biologischen Prozess., Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.
Abbildung 3b. Gen-Ontologie-basierte Anreicherung, – Analyse für die centrosome Proteom zeigt die signifikant angereicherten Bedingungen für das GO-Domäne-Molekulare Funktion. Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.
Zentrosomenproteine mit mehreren Standorten
Etwa 78% (n=428) der im Zellatlas nachgewiesenen Zentrosom-und Zentriolarsatellitenproteine lokalisieren sich auch in anderen zellulären Kompartimenten (Abbildung 4)., Das Netzwerkdiagramm zeigt, dass die häufigsten Orte, die mit den Centrosom-und Centriolarsatelliten geteilt werden, das Zytoplasma, der Kern und die Vesikel sind. Dual-Lokalisationen mit Nukleoplasma und Cytosol sind überrepräsentiert, während Dual-Lokalisationen mit dem Golgi-Apparat und Nukleolen unterrepräsentiert sind.
Abbildung 4. Interaktives Netzwerkdiagramm von Mikrotubuli-Proteinen mit mehreren Lokalisierungen. Die Zahlen in den Verbindungsknoten zeigen die Proteine, die im Zentrosom und an einem oder mehreren zusätzlichen Stellen lokalisiert sind., Es werden nur Verbindungsknoten gezeigt, die mehr als ein Protein und mindestens 0,5% Proteine im Zentrosomproteom enthalten. Die Kreisgrößen beziehen sich auf die Anzahl der Proteine. Die zyanfarbenen Knoten zeigen Kombinationen, die signifikant überrepräsentiert sind, während magentafarbene Knoten Kombinationen zeigen, die im Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit, diese Kombination basierend auf der Häufigkeit jeder Anmerkung und einem hypergeometrischen Test zu beobachten, signifikant unterrepräsentiert sind (p≤0.05). Beachten Sie, dass diese Berechnung nur für Proteine mit zwei Lokalisierungen durchgeführt wird., Jeder Knoten ist anklickbar und führt zu einer Liste aller Proteine, die in den verbundenen Organellen gefunden werden.
Expressionsniveaus von Centrosomproteinen im Gewebe
Die Transkriptomanalyse und Klassifizierung von Genen in Gewebeverteilungskategorien (Abbildung 8) zeigt, dass Centrosom-und Centriolarsatellitenproteine im Vergleich zu allen im Zellatlas dargestellten Genen keine besondere Art der Gewebeverteilung aufweisen.
Abbildung 5., Balkendiagramm, das den Prozentsatz der Gene in verschiedenen Gewebeverteilungskategorien für Gene zeigt, die für Proteine kodieren, die sich im Vergleich zu allen Genen im Zellatlas zum Zentrosom oder Zentriolarsatelliten lokalisieren. Sternchen markiert eine statistisch signifikante Abweichung (p≤0,05) in der Anzahl der Gene in einer Kategorie basierend auf einem binomialen statistischen Test. Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.
Relevante links und Publikationen
Bovery T. 1900. Zellen-Studien. Verlag von Gustav Fischer.