ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ВОЛОКНА: СТРУКТУРА, ВИДЫ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2024

Эти промежуточные волокна , также известные в литературе как «IFs» (из нитей английского средних), представляют собой семейство белков волокнистых цитозольные нерастворимые присутствуют во всех клетках многоклеточного эукариота.

Они являются частью цитоскелета, который представляет собой внутриклеточную нитевидную сеть, которая в основном отвечает за поддержку клеточной структуры и различных метаболических и физиологических процессов, таких как транспорт пузырьков, перемещение и смещение клеток и т. Д.

Иммунофлуоресцентная микроскопия двух белков промежуточных филаментов астроцитов (виментина и GFAP) (Источник: GerryShaw через Wikimedia Commons)

Промежуточные филаменты наряду с микротрубочками и микрофиламентами участвуют в пространственной организации внутриклеточных органелл, в процессах эндоцитоза и экзоцитоза, а также в процессах деления клеток и межклеточной коммуникации.

Первыми промежуточными филаментами, которые были изучены и описаны, были кератины, один из первых типов белков, структура которых была проанализирована методом рентгеновской дифракции в 1930-х годах.

Однако концепция промежуточных филаментов была введена в 1980-х годах Лазаридесом, который описал их как сложные «механические интеграторы клеточного пространства», характеризующиеся их нерастворимостью и способностью повторно собираться in vitro после денатурации.

Многие авторы считают их стрессовыми «буферными» элементами для клеток животных, поскольку они являются более гибкими нитями, чем микротрубочки и микрофиламенты. Они не только находятся в цитоскелете, но также являются частью нуклеоскелета.

В отличие от других волокнистых компонентов цитоскелета, промежуточные филаменты не участвуют напрямую в процессах клеточной подвижности, а скорее функционируют в структурном поддержании и механическом сопротивлении клеток.

Структура

Источник: http://rsb.info.nih.gov/ij/images/

Промежуточные филаменты имеют приблизительный диаметр 10 нм, структурную характеристику, в честь которой они были названы, поскольку их размер находится между размерами, соответствующими миозиновым и актиновым филаментам, которые составляют от 25 до 7 нм. соответственно.

Они структурно отличаются от двух других типов цитоскелетных филаментов, которые представляют собой глобулярные белковые полимеры, в том, что их составляющие единицы представляют собой отдельные длинные α-спиральные волокнистые белки, которые группируются вместе, образуя веревочные структуры.

Все белки, составляющие промежуточные филаменты, имеют сходную молекулярную организацию, состоящую из α-спирального или «веревочного» домена, который имеет разное количество «клубкообразующих» сегментов одинакового размера.

Этот спиральный домен фланкирован N-концевой неспиральной «головой» и неспиральным «хвостом» на С-конце, оба из которых различаются как по размеру, так и по аминокислотной последовательности.

В последовательности этих двух концов находятся согласованные мотивы, которые являются общими для 6 известных типов промежуточных филаментов.

У позвоночных "хордовый" домен цитозольных белков промежуточных филаментов состоит примерно из 310 аминокислотных остатков, в то время как цитозольные белки ламины беспозвоночных и ядерных пластинок имеют длину примерно 350 аминокислот.

сборочный

Промежуточные филаменты представляют собой «самособирающиеся» структуры, не обладающие ферментативной активностью, что также отличает их от их цитоскелетных аналогов (микротрубочек и микрофиламентов).

Эти структуры изначально собираются в виде тетрамеров нитевидных белков, составляющих их под влиянием только одновалентных катионов.

Эти тетрамеры имеют длину 62 нм, и их мономеры связываются друг с другом латерально, образуя филаменты единичной длины (UFL), известные как фаза 1 сборки, которая происходит очень быстро. ,

UFL являются предшественниками длинных филаментов, и, поскольку димеры, составляющие их, соединены вместе антипараллельным и шахматным образом, эти единицы имеют центральный домен с двумя фланкирующими доменами, через которые происходит фаза 2 элонгации. , где происходит продольное объединение остальных УФЛ.

Во время так называемой фазы 3 сборки происходит радиальное уплотнение диаметра волокон, в результате чего образуются зрелые промежуточные волокна диаметром более или менее 10 нм.

Характеристики

Функции промежуточных филаментов в значительной степени зависят от типа рассматриваемых клеток, а в случае животных (включая человека) их экспрессия регулируется тканеспецифическим образом, поэтому это также зависит от типа ткани. чем в учебе.

Эпителий, мышцы, мезенхимальные и глиальные клетки и нейроны имеют различные типы филаментов, специализированные в зависимости от функции клеток, к которым они принадлежат.

Среди этих функций наиболее важными являются структурное поддержание клеток и устойчивость к различным механическим воздействиям, поскольку эти структуры обладают определенной эластичностью, которая позволяет им амортизировать различные типы сил, воздействующих на клетки.

Типы промежуточных нитей

Белки, составляющие промежуточные филаменты, принадлежат к большому и гетерогенному семейству нитчатых белков, которые химически различаются, но разделены на шесть классов в соответствии с их гомологией последовательностей (I, II, III, IV, V и VI).

Хотя это не очень распространено, разные типы клеток в очень определенных условиях (развитие, трансформация клеток, рост и т. Д.) Могут коэкспрессировать более одного класса промежуточных филамент-образующих белков.

Промежуточные волокна класса I и II: кислые и основные кератины

Кератины представляют собой большинство белков в промежуточных филаментах, а у человека они составляют более трех четвертей промежуточных филаментов.

Они имеют молекулярную массу от 40 до 70 кДа и отличаются от других белков промежуточных филаментов высоким содержанием остатков глицина и серина.

Они известны как кислые и основные кератины из-за их изоэлектрических точек, которые составляют от 4,9 до 5,4 для кислых кератинов и от 6,1 до 7,8 для основных.

В этих двух классах описано около 30 белков, которые особенно присутствуют в эпителиальных клетках, где оба типа белков «сополимеризуются» и образуют сложные филаменты.

Многие из кератинов промежуточного филамента типа I обнаруживаются в таких структурах, как волосы, ногти, рога, шипы и когти, в то время как кератины класса II наиболее распространены в цитозоле.

Промежуточные филаменты класса III: белки типа десмин / виментин

Десмин - это кислотный белок с молекулярной массой 53 кДа, который в зависимости от степени фосфорилирования может иметь разные варианты.

Некоторые авторы также назвали десминовые филаменты «промежуточными мышечными филаментами», поскольку их присутствие весьма ограничено, хотя и в небольших количествах, для всех типов мышечных клеток.

В миофибриллах десмин находится в линии Z, поэтому считается, что этот белок способствует сократительной функции мышечных волокон, функционируя на стыке миофибрилл и плазматической мембраны.

Фотография окрашивания белка виментина, белка промежуточных филаментов эпителиальных и эмбриональных клеток (Источник: Виктория Косач через Wikimedia Commons)

В свою очередь, виментин - это белок, присутствующий в мезенхимальных клетках. Промежуточные филаменты, образованные этим белком, гибкие и, как было обнаружено, противостоят многим конформационным изменениям, которые происходят во время клеточного цикла.

Он содержится в фибробластах, гладкомышечных клетках, лейкоцитах и ​​других клетках кровеносной системы животных.

Промежуточные филаменты класса IV: нейрофиламентные белки

Также известный как «нейрофиламенты», этот класс промежуточных волокон включает один из фундаментальных структурных элементов нейрональных аксонов и дендритов; они часто связаны с микротрубочками, которые также составляют эти структуры.

Были выделены нейрофиламенты позвоночных животных, и было определено, что в сборке in vitro участвует триплет белков массой 200, 150 и 68 кДа.

Они отличаются от других промежуточных нитей тем, что у них есть боковые ответвления в качестве «придатков», которые выступают из их периферии и которые функционируют во взаимодействии между соседними нитями и другими структурами.

Глиальные клетки производят особый тип промежуточных филаментов, известных как глиальные промежуточные филаменты, которые структурно отличаются от нейрофиламентов тем, что они состоят из одного белка 51 кДа и обладают различными физико-химическими свойствами.

Промежуточный филамент класса V: филаменты ядерной пластинки

Все пластинки, которые являются частью нуклеоскелета, на самом деле являются белками промежуточных филаментов. Они имеют молекулярную массу от 60 до 75 кДа и обнаруживаются в ядрах всех эукариотических клеток.

Они необходимы для внутренней организации ядерных областей и для многих функций этой органеллы, необходимых для существования эукариот.

Промежуточная нить класса VI: Nestinas

Промежуточные филаменты этого типа весят около 200 кДа и преимущественно встречаются в стволовых клетках центральной нервной системы. Они выражаются во время развития нейронов.

Сопутствующие патологии

У людей есть несколько заболеваний, связанных с промежуточными филаментами.

При некоторых типах рака, таких как злокачественные меланомы или карциномы груди, например, совместная экспрессия промежуточных филаментов виментина и кератина приводит к дифференцировке или взаимопревращению эпителиальных и мезенхимальных клеток.

Экспериментально было показано, что это явление увеличивает миграционную и инвазивную активность раковых клеток, что имеет важные последствия для метастатических процессов, характерных для этого состояния.

Eriksson et al. (2009) рассматривают различные типы заболеваний и их взаимосвязь со специфическими мутациями в генах, участвующих в формировании шести типов промежуточных филаментов.

Заболевания, связанные с мутациями в генах, кодирующих два типа кератина, - это буллезный эпидермолиз, эпидермолитический гиперкератоз, дистрофия роговицы, кератодермия и многие другие.

Промежуточные филаменты III типа участвуют в многочисленных кардиомиопатиях и различных мышечных заболеваниях, в основном связанных с дистрофиями. Кроме того, они также ответственны за доминирующую катаракту и некоторые типы склероза.

Многие неврологические синдромы и расстройства связаны с филаментами IV типа, такими как болезнь Паркинсона. Точно так же генетические дефекты филаментов типа V и VI ответственны за развитие различных аутосомных заболеваний и связаны с функционированием ядра клетки.

Примерами этого являются, среди прочего, синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда, мышечная дистрофия Эмери-Дрейфуса.

Ссылки

1. Андертон, BH (1981). Промежуточные филаменты: семейство гомологичных структур. Журнал исследований мышц и подвижности клеток, 2 (2), 141–166.
2. Эрикссон, Дж. Э., Паллари, Х., Роберт, Д., Эрикссон, Дж. Э., Дечат, Т., Грин, Б.,… Голдман, Р. Д. (2009). Введение в промежуточные филаменты: от открытия к болезни. Журнал клинических исследований, 119 (7), 1763–1771.
3. Э. Фукс и К. Вебер (1994). Промежуточные волокна: структура, динамика, функция и заболевание. Annu. Rev. Biochem. , 63, 345–382.
4. Хендрикс, MJC, Сефер, EA, Чу, Ю.В., Тревор, К.Т., и Сефортор, REB (1996). Роль промежуточных филаментов в миграции, инвазии и метастазировании. Обзоры рака и метастазов, 15 (4), 507–525.
5. Херрманн, Х., Эби У. (2004). Промежуточные филаменты: молекулярная структура, механизм сборки и интеграция в функционально обособленные внутриклеточные каркасы. Ежегодный обзор биохимии, 73 (1), 749–789.
6. Херрманн, Х., Эби У. (2016). Промежуточные волокна: структура и сборка. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии, 8, 1–22.
7. Маклин И. и Лейн Б. (1995). Промежуточные нити при болезни. Текущее мнение в области клеточной биологии, 7 (1), 118–125.
8. Стейнерт П. и Руп Д. (1988). Молекулярная и клеточная биология промежуточных волокон. Ежегодный обзор биохимии, 57 (1), 593–625.
9. Стейнерт П., Джонс Дж. И Голдман Р. (1984). Промежуточные волокна. Журнал клеточной биологии, 99 (1), 1–6.