БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 6, с. 984–994

УДК 577.112.7

Структурно-функциональные исследования изоформ тропомиозина Tpm4.1 и Tpm2.1

© 2023 А.С. Логвинов 1,2, В.В. Нефёдова 1, Д.С. Ямпольская 1, С.Ю. Клейменов 1,3, Д.И. Левицкий 1, А.М. Матюшенко 1*ammatyushenko@mail.ru

1 Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, 119071 Москва, Россия

2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия

3 Институт биологии развития имени Н.К. Кольцова РАН, 119334 Москва, Россия

Поступила в редакцию 28.03.2023
После доработки 05.05.2023
Принята к публикации 10.05.2023

DOI: 10.31857/S0320972523060088

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: изоформы тропомиозина, стабильность структуры coiled-coil, актин-ассоциированные белки, актиновые филаменты, дифференциальная сканирующая калориметрия.

Аннотация

Тропомиозин (Tpm) – это один из важнейших партнёров актинового филамента, во многом определяющий его свойства. В организмах животных существуют разные изоформы Tpm, которые, как считается, участвуют в регуляции различных клеточных функций. Однако молекулярные механизмы регуляции функций актиновых филаментов различными цитоплазматическими изоформами Tpm до сих пор мало изучены. В нашей работе мы применяли различные методы для исследования свойств изоформ Tpm2.1 и Tpm4.1 и сравнивали их как между собой, так и со свойствами изоформ Tpm, которые уже подвергались ранее более детальному изучению. Изоформы Tpm2.1 и Tpm4.1 почти не отличались друг от друга по их сродству к фибриллярному актину (F‑актину), по термостабильности их молекул и по их устойчивости к ограниченному протеолизу трипсином, но заметно различались по вязкости их растворов и по термостабильности их комплексов с F‑актином. Главным отличием Tpm2.1 и Tpm4.1 от других ранее исследованных изоформ Tpm (таких, например, как Tpm1.6 и Tpm1.7) была их крайне низкая термостабильность, измеренная методами КД и ДСК. Возможные причины этой нестабильности детально рассмотрены при сравнении аминокислотных последовательностей Tpm4.1 и Tpm2.1 с последовательностями изоформ Tpm1.6 и Tpm1.7, которые не отличались от Tpm4.1 и Tpm2.1 соответственно по экзонной структуре их генов.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

А.М. Матюшенко – концепция и руководство работой; А.С. Логвинов, Д.С. Ямпольская и В.В. Нефёдова – получение препаратов Tpm и постановка экспериментов; C.Ю. Клейменов – выполнение экспериментов методом ДСК; А.М. Матюшенко и Д.И. Левицкий – написание первоначального текста статьи. Все авторы принимали участие в обсуждении результатов исследования и редактировании окончательной версии статьи.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-74-10106).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Gunning, P., O’Neill, G., and Hardeman, E. (2008) Tropomyosin-based regulation of the actin cytoskeleton in time and space, Physiol. Rev., 88, 1-35, doi: 10.1152/physrev.00001.2007.

2. Nevzorov, I. A., and Levitsky, D. I. (2011) Tropomyosin: double helix from the protein world, Biochemistry (Moscow), 76, 1507-1527, doi: 10.1134/S0006297911130098.

3. Tardiff, J. C. (2010) Tropomyosin and dilated cardiomyopathy: revenge of the actinomyosin “gatekeeper”, J. Am. Coll. Cardiol., 55, 330-332, doi: 10.1016/j.jacc.2009.11.018.

4. Manstein, D. J., and Mulvihill, D. P. (2016) Tropomyosin-mediated regulation of cytoplasmic myosins, Traffic, 17, 872-877, doi: 10.1111/tra.12399.

5. Gunning, P. W., Hardeman, E. C., Lappalainen, P., and Mulvihill, D. P. (2015) Tropomyosin – master regulator of actin filament function in the cytoskeleton, J. Cell Sci., 128, 2965-2974, doi: 10.1242/jcs.172502.

6. Khaitlina, S. Y. (2015) Tropomyosin as a regulator of actin dynamics, Int. Rev. Cell. Mol. Biol., 318, 255-291, doi: 10.1016/bs.ircmb.2015.06.002.

7. Goldmann, W. H. (2000) Binding of tropomyosin-troponin to actin increases filament bending stiffness, Biochem. Biophys. Res. Commun., 276, 1225-1228, doi: 10.1006/bbrc.2000.3608.

8. Nabiev, S. R., Ovsyannikov, D. A., Kopylova, G. V., Shchepkin, D. V., Matyushenko, A. M., Koubassova, N. A., Levitsky, D. I., Tsaturyan, A. K., and Bershitsky, S. Y. (2015) Stabilizing the central part of tropomyosin increases the bending stiffness of the thin filament, Biophys. J., 109, 373-379, doi: 10.1016/j.bpj.2015.06.006.

9. Weigt, C., Schoepper, B., and Wegner, A. (1990) Tropomyosin-troponin complex stabilizes the pointed ends of actin filaments against polymerization and depolymerization, FEBS Lett., 260, 266-268, doi: 10.1016/0014-5793(90)80119-4.

10. Broschat, K. O. (1990) Tropomyosin prevents depolymerization of actin filaments from the pointed end, J. Biol. Chem., 265, 21323-21329, doi: 10.1016/S0021-9258(17)45363-4.

11. Schevzov, G., Vrhovski, B., Bryce, N. S., Elmir, S., Qiu, M. R., O’Neill, G. M., Yang, N., Verrills, N. M., Kavallaris, M., and Gunning, P. W. (2005) Tissue-specific tropomyosin isoform composition, J. Histochem. Cytochem., 53, 557-570, doi: 10.1369/jhc.4A6505.2005.

12. Weinberger, R. P., Henke, R. C., Tolhurst, O., Jeffrey, P. L., and Gunning, P. (1993) Induction of neuron-specific tropomyosin mRNAs by nerve growth factor is dependent on morphological differentiation, J. Cell Biol., 120, 205-215, doi: 10.1083/jcb.120.1.205.

13. Pelham, R. J. Jr., Lin, J. J., and Wang, Y. L. (1996) A high molecular mass non-muscle tropomyosin isoform stimulates retrograde organelle transport, J. Cell Sci., 109 (Pt 5), 981-989, doi: 10.1242/jcs.109.5.981.

14. Thoms, J. A., Loch, H. M., Bamburg, J. R., Gunning, P. W., and Weinberger, R. P. (2008) A tropomyosin 1 induced defect in cytokinesis can be rescued by elevated expression of cofilin, Cell Motil. Cytoskeleton, 65, 979-990, doi: 10.1002/cm.20320.

15. Caldwell, B. J., Lucas, C., Kee, A. J., Gaus, K., Gunning, P. W., Hardeman, E. C., Yap, A. S., and Gomez, G. A. (2014) Tropomyosin isoforms support actomyosin biogenesis to generate contractile tension at the epithelial zonula adherens, Cytoskeleton, 71, 663-676, doi: 10.1002/cm.21202.

16. McMichael, B. K., and Lee, B. S. (2008) Tropomyosin 4 regulates adhesion structures and resorptive capacity in osteoclasts, Exp. Cell Res., 314, 564-573, doi: 10.1016/j.yexcr.2007.10.018.

17. Craig, R., and Lehman, W. (2001) Crossbridge and tropomyosin positions observed in native, interacting thick and thin filaments, J. Mol. Biol., 311, 1027-1036, doi: 10.1006/jmbi.2001.4897.

18. Sweeney, H. L., and Hammers, D. W. (2018) Muscle contraction, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 10, a023200, doi: 10.1101/cshperspect.a023200.

19. Fath, T. (2013) Tropomodulins and tropomyosins – organizers of cellular microcompartments, Biomol. Concepts, 4, 89-101, doi: 10.1515/bmc-2012-0037.

20. Gray, K. T., Kostyukova, A. S., and Fath, T. (2017) Actin regulation by tropomodulin and tropomyosin in neuronal morphogenesis and function, Mol. Cell. Neurosci., 84, 48-57, doi: 10.1016/j.mcn.2017.04.002.

21. Hardeman, E. C., Bryce, N. S., and Gunning, P. W. (2020) Impact of the actin cytoskeleton on cell development and function mediated via tropomyosin isoforms, Semin. Cell Dev. Biol., 102, 122-131, doi: 10.1016/j.semcdb.2019.10.004.

22. Geeves, M. A., Hitchcock-DeGregori, S. E., and Gunning, P. W. (2015) A systematic nomenclature for mammalian tropomyosin isoforms, J. Muscle Res. Cell Motil., 36, 147-153, doi: 10.1007/s10974-014-9389-6.

23. Tojkander, S., Gateva, G., Schevzov, G., Hotulainen, P., Naumanen, P., Martin, C., Gunning, P. W., and Lappalainen, P. (2011) A molecular pathway for myosin II recruitment to stress fibers, Curr. Biol., 21, 539-550, doi: 10.1016/j.cub.2011.03.007.

24. Sanders, C., Burtnick, L. D., and Smillie, L. B. (1986) Native chicken gizzard tropomyosin is predominantly a beta gamma-heterodimer, J. Biol. Chem., 261, 12774-12778, doi: 10.1016/S0021-9258(18)67160-1.

25. Wolfenson, H., Meacci, G., Liu, S., Stachowiak, M. R., Iskratsch, T., Ghassemi, S., Roca-Cusachs, P., O’Shaughnessy, B., Hone, J., and Sheetz, M. P. (2016) Tropomyosin controls sarcomere-like contractions for rigidity sensing and suppressing growth on soft matrices, Nat. Cell. Biol., 18, 33-42, doi: 10.1038/ncb3277.

26. Boyd, J., Risinger, J. I., Wiseman, R. W., Merrick, B. A., Selkirk, J. K., and Barrett, J. C. (1995) Regulation of microfilament organization and anchorage-independent growth by tropomyosin 1, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92, 11534-11538, doi: 10.1073/pnas.92.25.11534.

27. Stehn, J. R., Schevzov, G., O’Neill, G. M., and Gunning, P. W. (2006) Specialisation of the tropomyosin composition of actin filaments provides new potential targets for chemotherapy, Curr. Cancer Drug Targets, 6, 245-256, doi: 10.2174/156800906776842948.

28. Mahadev, K., Raval, G. S., Bharadwaj, S., Willingham, M. C., and Lange, E. M. (2002) Suppression of the transformed phenotype of breast cancer by tropomyosin-1, Exp. Cell Res., 279, 40-51, doi: 10.1006/excr.2002.5583.

29. Nevzorov, I., Redwood, C., and Levitsky, D. I. (2008) Stability of two beta-tropomyosin isoforms: effects of mutation Arg91Gly, J. Muscle Res. Cell Motil., 29, 173-176, doi: 10.1007/s10974-009-9171-3.

30. Gateva, G., Kremneva, E., Reindl, T., Kotila, T., and Kogan, K. (2017) Tropomyosin isoforms specify functionally distinct actin filament populations in vitro, Curr. Biol., 27, 705-713, doi: 10.1016/j.cub.2017.01.018.

31. Coulton, A., Lehrer, S. S., and Geeves, M. A. (2006) Functional homodimers and heterodimers of recombinant smooth muscle tropomyosin, Biochemistry, 45, 12853-12858, doi: 10.1021/bi0613224.

32. Janco, M., Bonello, T. T., Byun, A., Coster, A. C. F., Lebhar, H., Dedova, I., Gunning, P. W., and Böcking, T. (2016) The impact of tropomyosins on actin filament assembly is isoform specific, Bioarchitecture, 6, 61-75, doi: 10.1080/19490992.2016.1201619.

33. Jeong, S., Lim, S., Schevzov, G., Gunning, P. W., and Helfman, D. M. (2017) Loss of Tpm4.1 leads to disruption of cell-cell adhesions and invasive behavior in breast epithelial cells via increased Rac1 signaling, Oncotarget, 8, 33544-33559, doi: 10.18632/oncotarget.16825.

34. Monteiro, P. B., Lataro, R. C., Ferro, J. A., and Reinach, F.-C. (1994) Functional α-tropomyosin produced in Escherichia coli. A dipeptide extension can substitute the amino-terminal acetyl group, J. Biol. Chem., 269, 10461-10466, doi: 10.1016/S0021-9258(17)34082-6.

35. Matyushenko, A. M., Artemova, N. V., Shchepkin, D. V., Kopylova, G. V., Bershitsky, S. Y., Tsaturyan, A. K., Sluchanko, N. N., and Levitsky, D. I. (2014) Structural and functional effects of two stabilizing substitutions, D137L and G126R, in the middle part of α-tropomyosin molecule, FEBS J., 281, 2004-2016, doi: 10.1111/febs.12756.

36. Spudich, J. A., and Watt, S. (1971) The regulation of rabbit skeletal muscle contraction. I. Biochemical studies of the interaction of the tropomyosin-troponin complex with actin and the proteolytic fragments of myosin, J. Biol. Chem., 246, 4866-4871, doi: 10.1016/S0021-9258(18)62016-2.

37. Matyushenko, A. M., Kleymenov, S. Y., Susorov, D. S., and Levitsky, D. I. (2018) Thermal unfolding of homodimers and heterodimers of different skeletal-muscle isoforms of tropomyosin, Biophys. Chem., 243, 1-7, doi: 10.1016/j.bpc.2018.09.002.

38. Nefedova, V. V., Marchenko, M. A., Kleymenov, S. Y., Datskevich, P. N., Levitsky, D. I., and Matyushenko, A. M. (2019) Thermal unfolding of various human non-muscle isoforms of tropomyosin, Biochem. Biophys. Res. Commun., 514, 613-617, doi: 10.1016/j.bbrc.2019.05.008.

39. Marchenko, M., Nefedova, V., Artemova, N., Kleymenov, S., Levitsky, D., and Matyushenko, A. (2021) Structural and functional peculiarities of cytoplasmic tropomyosin isoforms, the products of TPM1 and TPM4 genes, Int. J. Mol. Sci., 22, 5141, doi: 10.3390/ijms22105141.

40. Marchenko, M. A., Nefedova, V. V., Yampolskaya, D. S., Borzova, V. A., Kleymenov, S. Y., Nabiev, S. R., Nikitina, L. V., Matyushenko, A. M., and Levitsky, D. I. (2021) Comparative structural and functional studies of low molecular weight tropomyosin isoforms, the TPM3 gene products, Arch. Biochem. Biophys., 710, 108999, doi: 10.1016/j.abb.2021.108999.

41. Matyushenko, A. M., Shchepkin, D. V., Kopylova, G. V., Bershitsky, S. Y., and Levitsky, D. I. (2020) Unique functional properties of slow skeletal muscle tropomyosin, Biochimie, 174, 1-8, doi: 10.1016/j.biochi.2020.03.013.

42. Lees-Miller, J. P., and Helfman, D. M. (1991) The molecular basis for tropomyosin isoform diversity, Bioessays, 13, 429-437, doi: 10.1002/bies.950130902.

43. Matyushenko, A. M., Artemova, N. V., Sluchanko, N. N., and Levitsky, D. I. (2015) Effects of two stabilizing substitutions, D137L and G126R, in the middle part of α-tropomyosin on the domain structure of its molecule, Biophys. Chem., 196, 77-85, doi: 10.1016/j.bpc.2014.10.001.

44. Arndt, K. M., Pelletier, J. N., Müller, K. M., Plückthun, A., and Alber, T. (2002) Comparison of in vivo selection and rational design of heterodimeric coiled coils, Structure, 10, 1235-1248, doi: 10.1016/s0969-2126(02)00838-9.