Mikrotubuli-assoziiertes Protein

Neben Tubulin gibt es in der Zelle weitere Proteine, die an Mikrotubuli binden. Diese Proteine werden zusammenfassend als mikrotubuli-assoziierte Proteine (Microtubule-Associated Proteins, MAPs) bezeichnet. Im Allgemeinen können MAPs die Stabilität von Mikrotubuli erhöhen, die Assemblierung von Mikrotubuli fördern und die Interaktion zwischen Mikrotubuli und anderen zellulären Komponenten regulieren. Sie sind essenzielle Bestandteile zur Aufrechterhaltung der Struktur und Funktion von Mikrotubuli. MAPs verfügen über zwei funktionelle Regionen: eine basische Mikrotubuli-Bindungsdomäne, die an die Seitenfläche der Mikrotubuli bindet, sowie eine saure, nach außen ragende Bindungsdomäne, die eine filamentöse, nach außen gerichtete Struktur bildet und horizontale Brücken zu anderen Zell- oder Zytoskelettkomponenten, Zellmembranen usw. aufrechterhält. MAPs besitzen Mikrotubuli-Bindungsaktivität und erfüllen ihre Funktionen durch Regulation der Phosphorylierung und Dephosphorylierung spezifischer Aminosäuren. Zu den MAPs zählen hauptsächlich MAP1, MAP2, Tau und MAP4. Die ersten drei kommen überwiegend in Neuronen vor, während MAP4 in verschiedenen Zelltypen exprimiert wird.

Funktionen

MAPs binden an die Tubulin-Untereinheiten, aus denen Mikrotubuli aufgebaut sind, und regulieren dadurch deren Stabilität. In zahlreichen unterschiedlichen Zelltypen wurde eine große Vielfalt an MAPs identifiziert, die ein breites Funktionsspektrum aufweisen. Dazu gehören die Stabilisierung und Destabilisierung von Mikrotubuli, die gezielte Ausrichtung von Mikrotubuli an spezifische zelluläre Lokalisationen, die Quervernetzung von Mikrotubuli sowie die Vermittlung von Mikrotubuli-Interaktionen mit anderen Proteinen in der Zelle. Intrazellulär binden MAPs direkt an Tubulin-Dimere der Mikrotubuli. Diese Bindung kann sowohl an polymerisiertem als auch an depolymerisiertem Tubulin erfolgen und führt in den meisten Fällen zur Stabilisierung der Mikrotubuli-Struktur, wodurch die Polymerisation weiter gefördert wird. Üblicherweise interagiert die C-terminale Domäne von MAP mit Tubulin, während die N-terminale Domäne an Zellvesikel, Intermediärfilamente oder andere Mikrotubuli binden kann. Die MAP–Mikrotubuli-Bindung wird durch MAP-Phosphorylierung reguliert. Dies erfolgt über die Funktion der Mikrotubuli-Affinitäts-regulierten Kinase (Microtubule Affinity-Regulated Kinase, MARK). MARK phosphoryliert MAP und löst es von gebundenen Mikrotubuli. Diese Dissoziation ist häufig mit einer Instabilität der Mikrotubuli verbunden, wodurch es zu Brüchen kommen kann. Auf diese Weise wird die durch MAP vermittelte Stabilisierung von Mikrotubuli intrazellulär über Phosphorylierung reguliert.

MARK-Familie

MARK ist die Abkürzung für Microtubule Affinity-Regulated Kinase (mikrotubuli-affinitätsregulierte Kinase). Das Gen kodiert ein Protein, das zur Familie der mikrotubuli-assoziierten Proteine gehört. Diese Proteinfamilie gilt als an der Mikrotubuli-Assemblierung beteiligt, einem essenziellen Schritt der Neurogenese. MAP2 stabilisiert das Wachstum von Mikrotubuli (MT), indem es MT mit Intermediärfilamenten und anderen MTs quervernetzt. Die Produkte homologer Gene in Ratte und Maus sind neuronenspezifische Zytoskelettproteine, die in Dendriten angereichert sind und während der neuronalen Entwicklung zur Festlegung und Stabilisierung dendritischer Formen beitragen. Es wurden zahlreiche alternative Spleißvarianten beschrieben, die unterschiedliche Isoformen kodieren.

Funktionen

MARK bindet an die Tubulin-Untereinheiten, aus denen Mikrotubuli aufgebaut sind, und reguliert dadurch deren Stabilität. In zahlreichen unterschiedlichen Zelltypen wurde eine große Vielfalt an MAPs identifiziert, die ein breites Funktionsspektrum aufweisen. Dazu gehören die Stabilisierung und Destabilisierung von Mikrotubuli, die gezielte Ausrichtung von Mikrotubuli an spezifische zelluläre Lokalisationen, die Quervernetzung von Mikrotubuli sowie die Vermittlung der Interaktion von Mikrotubuli mit anderen Proteinen in der Zelle. Intrazellulär bindet MARK direkt an Tubulin-Dimere der Mikrotubuli. Diese Bindung kann sowohl an polymerisiertem als auch an depolymerisiertem Tubulin erfolgen und führt in den meisten Fällen zur Stabilisierung der Mikrotubuli-Struktur, wodurch die Polymerisation weiter gefördert wird. Üblicherweise interagiert die C-terminale Domäne von MARK mit Tubulin, während die N-terminale Domäne an Zellvesikel, Intermediärfilamente oder andere Mikrotubuli binden kann. Die MARK–Mikrotubuli-Bindung wird durch MAP-Phosphorylierung reguliert. Dies erfolgt über die Funktion der Mikrotubuli-Affinitäts-regulierten Kinase (MARK). MARK phosphoryliert MAP und löst es von gebundenen Mikrotubuli. Diese Dissoziation ist häufig mit einer Instabilität der Mikrotubuli verbunden, wodurch es zu Brüchen kommen kann. Auf diese Weise wird die durch MARK vermittelte Stabilisierung von Mikrotubuli intrazellulär über Phosphorylierung reguliert.

Referenz:

1. Al-Bassam J; et al. MAP2 and tau bind longitudinally along the outer ridges of microtubule protofilaments. J. Cell Biol. 2002, 157 (7): 1187–96.