Einführung in Integrin und seine Struktur
Integrine sind Proteine, die mechanisch funktionieren, indem sie das Zytoskelett der Zelle mit der extrazellulären Matrix (ECM) verbinden, und biochemisch, indem sie erkennen, ob eine Adhäsion stattgefunden hat. Die Familie der Integrine besteht aus Alpha- und Beta-Subtypen, die Transmembran-Heterodimere bilden. Integrine fungieren als Adhäsionsrezeptoren für extrazelluläre Liganden und leiten biochemische Signale über nachgeschaltete Effektorproteine in die Zelle weiter. Bemerkenswerterweise funktionieren sie bidirektional, d. h. sie können Informationen sowohl nach außen als auch nach innen übermitteln (Übersicht in ).
Integrin Struktur
Integrin α Untereinheit Domänen: Oben: Lineare Anordnung der Domänen. Mitte: Die aus den Proteindomänen gebildete globulare Struktur. Unten: Vereinfachte Version der Integrin-α-Untereinheit. Die αI-Domäne ist in einigen Untertypen der α-Untereinheit vorhanden.
Jedes Integrin-Heterodimer besteht aus einer Alpha- (α) und einer Beta- (β) Untereinheit, die durch nicht-kovalente Wechselwirkungen miteinander verbunden sind und einen extrazellulären, ligandenbindenden Kopf, zwei Multidomänen-„Beine“, zwei Single-Pass-Transmembran-Helices und zwei kurze zytoplasmatische Schwänze bilden. Die α- und β-Gruppen weisen keine Homologie zueinander auf, jedoch finden sich konservierte Regionen zwischen den Untertypen beider Gruppen.
Das Bein der α-Untereinheit besteht aus einer Oberschenkel- und zwei Wadendomänen, die den ligandenbindenden Kopf unterstützen, der von einer β-Propellerdomäne mit 7 Wiederholungen gebildet wird, die die Blätter bilden (in der Abbildung unten als Zylinder dargestellt). Einige der Propellerblatt-Domänen enthalten kalziumbindende EF-Hand-Domänen auf der unteren Seite; diese beeinflussen allosterisch die Ligandenbindung. Eine zusätzliche αI (interaktive) Domäne mit ~200 Resten ist in einigen α-Ketten von Wirbeltieren (neun menschliche α-Subtypen) zwischen den Propeller-Wiederholungen 2 und 3 vorhanden. Diese enthält eine metallionenabhängige Adhäsionsstelle (MIDAS), die für die Ligandenbindung wichtig ist.
Integrin β-Untereinheit Domänen: Oben: Lineare Anordnung der Domänen. Mitte: Die aus den Proteindomänen gebildete globulare Struktur. Unten: vereinfachte Version der Integrin β-Untereinheit.
Die β-Untereinheit besteht aus 4 cysteinreichen epidermalen Wachstumsfaktor (EGF)-Wiederholungen, einer Hybriddomäne (in der Sequenz geteilt), einer I-ähnlichen Domäne (βI) und einer Plexin-Sempahorin-Integrin (PSI)-Domäne. Ähnlich wie αI enthält die βI-Domäne eine MIDAS-Stelle für die Ligandenbindung und eine zusätzliche regulatorische Stelle „adjacent to MIDAS“ oder ADMIDAS, die durch Ca2+ gehemmt und durch Mn2+ für die Ligandenbindung aktiviert wird.
i) Ligandenbindung
Die βI-Domäne bindet den Liganden zusammen mit dem β-Propeller oder mit αI (falls vorhanden) über MIDAS auf eine Mg2+-abhängige Weise an der Schnittstelle im Kopfstück. Während die Asp-Carboxylgruppe das βI-MIDAS-Ion Mg2+ koordiniert, bindet der Seitenkettenwasserstoff des Arg des RGD-Liganden direkt an das Asp in den Domänen 2 und 3 des β-Propellers.
ii) Dimerisierung
Globulare Domänenstrukturen der α- und β-Untereinheiten in einem stabilen Dimer. Die Ligandenbindung erfolgt an der Grenzfläche zwischen dem αI (linkes Feld) bzw. β-Propeller (rechtes Feld) und der βI-Domäne.
Die Dimerisierung erfolgt über die β-Propeller-Oberfläche an der α-Kette und die Hybriddomäne in der β-Kette im Zytoplasma. Die Sequenzen an diesen interagierenden Oberflächen scheinen die Spezifität der Kettenselektion zu steuern. Es hat sich gezeigt, dass die Dimere durch hydrophobe Wechselwirkungen und elektrostatische Salzbrücken an den proximalen Regionen der äußeren bzw. inneren Membran stabilisiert werden und inaktiv bleiben.
iii) Wechselwirkungen
Der zytoplasmatische Schwanz der β-Kette bindet bekanntermaßen über NPxY/F-Motive an Proteinadaptoren; dies aktiviert die Integrine durch Aufbrechen der Salzbrücke zwischen den Dimeren (nachzulesen in ). Im Allgemeinen fördern die Adaptorproteine die Bindung an Aktin, jedoch sind auch Intermediärfilamente über Vimentin involviert.
Proteinadaptoren, die an zytoplasmatische Integrinschwänze binden:
Strukturelle Adaptoren (z.B. Talin, Tensin) binden Integrine direkt an das Zytoskelett
Gerüstadaptoren (z.B. Paxillin, Kindlin) bilden Brücken zwischen fokalen Adhäsionsproteinen
Katalytische Adaptoren (z.B. Fokale Adhäsionskinase, Integrin-verknüpfte Kinase, Src) leiten die Signaltransduktion von Adhäsionsstellen weiter. Die Interaktionen über den α-Schwanz sind aufgrund der Sequenzvariabilität nicht eindeutig geklärt, jedoch ist der α-Schwanz an der zelltypspezifischen Integrinaktivierung durch Bindungsproteine beteiligt, die die nachgeschaltete Signalübertragung modulieren. Der Phosphorylierungszustand der zytoplasmatischen Schwanzreste moduliert den Wettbewerb zwischen den Adaptoren um die Bindung und damit die anschließenden zytoskelettalen Interaktionen der Integrine und die Reaktion (nachzulesen in).
Die Rolle der Proteinstruktur bei der Modulation der Ligandenaffinität, der Signalgebung und der Dynamik der Oberflächenverteilung von Integrinen wird in
nachgelesen.