VMESNI FILAMENTI: ZGRADBA, VRSTE, FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

Na vmesni filamenti , znane tudi v literaturi kot "investicijski skladi" (iz angleščina posredniŠkimi filamentov) so družina vlaknenih proteinov citosolne netopne snovi so prisotne v vseh celicah večceličnih evkariontov.

So del citoskeleta, ki je znotrajcelična nitasta mreža, ki je odgovorna predvsem za podporo celične strukture in različne presnovne in fiziološke procese, kot so prevoz veziklov, gibanje celic in premik itd.

Imunofluorescentna mikroskopija dveh proteinov vmesnih filamentov astrocitov (Vimentin in GFAP) (Vir: GerryShaw via Wikimedia Commons)

Vmesni filamenti skupaj z mikrotubuli in mikrofilamenti sodelujejo pri prostorski organizaciji medceličnih organelov, pri procesih endocitoze in eksocitoze ter tudi v procesih celične delitve in medcelične komunikacije.

Prvi vmesni filamenti, ki jih je bilo treba proučiti in opisati, so bili keratini, ena prvih vrst beljakovin, ki so analizirali z rentgensko difrakcijo v tridesetih letih prejšnjega stoletja.

Koncept vmesnih filamentov pa je v 80. letih prejšnjega stoletja uvedel Lazarides, ki jih je opisal kot kompleksne "mehanske integratorje celičnega prostora", za katere je bila značilna njihova netopnost in sposobnost ponovnega sestavljanja in vitro po denaturaciji.

Številni avtorji menijo, da so stresni "varovalni" elementi za živalske celice, saj so bolj prožni filamenti kot mikrotubule in mikrofilamenti. Ne najdemo jih le v citoskeletu, ampak so tudi del nukleoskeleta.

V nasprotju z drugimi vlaknastimi komponentami citoskeleta ne delujejo neposredno v procesih mobilnosti celic, temveč delujejo pri vzdrževanju in mehanski odpornosti celic.

Struktura

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

Vmesni filamenti imajo približni premer 10 nm, strukturno značilnost, po kateri so bili poimenovani, saj je njihova velikost med velikostmi miozinskih in aktinskih filamentov, ki znašajo med 25 in 7 nm. oz.

Strukturno se razlikujejo od drugih dveh vrst citoskeletnih filamentov, ki so kroglasti beljakovinski polimeri, po tem, da so njihove sestavne enote izrazito dolge dolžine α-spiralnih vlaknastih beljakovin, ki se združujejo v tvorijo vrvi podobne strukture.

Vsi proteini, ki sestavljajo vmesne filamente, imajo podobno molekularno organizacijo, sestavljeno iz domene α-spiralne ali "vrvne", ki ima različne količine segmentov "tuljave" iste velikosti.

To spiralno domeno ima N-terminalna ne-spiralna "glava" in ne-spiralni "rep" na koncu C-terminala, ki se razlikujeta tako po velikosti kot po zaporedju aminokislin.

Znotraj zaporedja teh dveh koncev so konsenzusni motivi, ki so skupni za 6 znanih vmesnih filamentov.

Pri vretenčarjih je "akordna" domena citosolnih vmesnih beljakovin filamentov približno 310 aminokislinskih ostankov, medtem ko so vretenčarji beljakovin in nukleinskih lamin približno 350 aminokislin.

Montaža

Vmesni filamenti so "samonastavitvene" strukture, ki nimajo encimske aktivnosti, kar jih tudi razlikuje od njihovih citoskeletnih kolegov (mikrotubul in mikrofilamentov).

Te strukture so sprva sestavljene kot tetrameri nitastih beljakovin, ki jih sestavljajo samo pod vplivom monovalentnih kationov.

Ti tetrameri so dolgi 62 nm in njihovi monomeri se med seboj povezujejo stransko, da tvorijo nitke dolžine enote (UFL), znane kot faza 1 sestavljanja, ki se pojavi zelo hitro. .

UFL so predhodniki dolgih filamentov in ker so dimeri, ki jih sestavljajo, združeni na antiparalni in stopenjski način, imajo te enote osrednjo domeno z dvema stranskima domenoma, skozi katera prihaja faza 2 raztezka. , kjer pride do vzdolžne zveze drugih UFL-ov.

Med tem, kar imenujemo faza 3 sestavljanja, pride do radialnega zbijanja premera nitk, kar povzroči zrele vmesne nitke s premerom več kot 10 nm.

Lastnosti

Funkcije vmesnih filamentov so precej odvisne od vrste obravnavane celice, pri živalih (vključno z ljudmi) pa je njihovo izražanje regulirano na tkivno specifičen način, zato je odvisno tudi od vrste tkiva kot v študiji.

Epitelija, mišice, mezenhimske in glialne celice ter nevroni imajo različne vrste filamentov, specializirane glede na funkcijo celic, ki jim pripadajo.

Med temi funkcijami sta najpomembnejši strukturno vzdrževanje celic in odpornost proti različnim mehanskim obremenitvam, saj imajo te strukture določeno elastičnost, ki jim omogoča, da ublažijo različne vrste sil, naložene na celice.

Vrste vmesnih filamentov

Beljakovine, ki sestavljajo vmesne nitke, spadajo v veliko in heterogeno družino nitastih beljakovin, ki se kemično razlikujejo, vendar jih razlikujemo v šest razredov glede na njihovo homolognost zaporedja (I, II, III, IV, V in VI).

Čeprav to ni zelo pogosto, lahko različne vrste celic pod zelo posebnimi pogoji (razvoj, preoblikovanje celic, rast itd.) Sočasno izražajo več kot en razred vmesnih beljakovin, ki tvorijo nitke

Vmesni filamenti razreda I in II: kisli in bazični keratini

Keratini predstavljajo večino beljakovin v vmesnih nitkah, pri ljudeh pa predstavljajo več kot tri četrtine vmesnih nitk.

Imajo molekulske mase, ki se gibljejo med 40 in 70 kDa in se razlikujejo od drugih vmesnih beljakovin filamentov po visoki vsebnosti glicina in serinskih ostankov.

Znani so kot kisli in bazični keratini zaradi svojih izoelektričnih točk, ki za kisle keratine znašajo med 4,9 in 5,4 ter za bazične med 6,1 in 7,8.

V teh dveh razredih je bilo opisanih približno 30 beljakovin in so prisotni zlasti v epitelijskih celicah, kjer obe vrsti proteinov "kopolimerizirata" in tvorita sestavljene filamente.

Veliko keratinov vmesnih filamentnih primerov I najdemo v strukturah, kot so lasje, nohti, rogovi, trni in kremplji, medtem ko so tisti v razredu II najpogostejši v citosolu.

Vmesni filamenti razreda III: Proteini tipa Desmin / Vimentin

Desmin je kisli protein 53 kDa, ki ima glede na stopnjo fosforilacije različne variante.

Nekateri avtorji so tudi imenovali desmin filamente "vmesne mišične nitke", saj je njihova prisotnost, čeprav v majhnih količinah, precej omejena na vse vrste mišičnih celic.

V miofibrilih se desmin nahaja v liniji Z, zato se domneva, da ta protein prispeva k kontraktilnim funkcijam mišičnih vlaken z delovanjem na stičišču miofibrilov in plazemske membrane.

Fotografija obarvanja proteina Vimentin, beljakovine vmesnih filamentov epitelijskih in embrionalnih celic (Vir: Viktoriia Kosach prek Wikimedia Commons)

Vimentin pa je protein, ki je prisoten v celicah mezenhima. Vmesni filamenti, ki jih tvori ta protein, so prožni in ugotovljeno je, da se upirajo številnim konformacijskim spremembam, ki se pojavijo med celičnim ciklom.

Najdemo ga v fibroblastih, celicah gladkih mišic, belih krvnih celicah in drugih celicah v obtočnem sistemu živali.

Vmesni filamenti razreda IV: nevrofilamentni proteini

Znan tudi kot "nevrofilamenti", ta razred vmesnih filamentov obsega enega temeljnih strukturnih elementov nevronskih aksonov in dendritov; pogosto so povezani z mikrotubuli, ki prav tako sestavljajo te strukture.

Izolirali so nevrofilamente vretenčarjev, s čimer so ugotovili, da gre za trojno beljakovine 200, 150 in 68 kDa, ki sodelujejo pri sestavljanju in vitro.

Od drugih vmesnih nitk se razlikujejo po tem, da imajo stranske roke kot "priloge", ki štrlijo z obrobja istega in delujejo v interakciji med sosednjimi nitkami in drugimi strukturami.

Glialne celice proizvajajo posebno vrsto vmesnih filamentov, imenovane glialni vmesni filamenti, ki se od nevrofilamentov razlikujejo po tem, da so sestavljene iz enega samega 51 kDa proteina in imajo različne fizikalno-kemijske lastnosti.

Vmesni filamentni razred V: filamenti jedrske lamine

Vse lamine, ki so del nukleoskeleta, so dejansko proteinski filamenti. Te so med 60 in 75 kDa z molekulsko maso in jih najdemo v jedrih vseh evkariontskih celic.

So bistvenega pomena za notranjo organizacijo jedrskih regij in za številne funkcije tega organele, ki so bistvene za obstoj evkariotov.

Vmesni razred filamentov VI: Nestine

Ta vrsta vmesnih filamentov tehta približno 200 kDa in se nahaja pretežno v matičnih celicah centralnega živčnega sistema. Izražajo se med nevronskim razvojem.

Sorodne patologije

Pri ljudeh obstaja več bolezni, ki so povezane z vmesnimi nitkami.

Na primer pri nekaterih vrstah raka, kot so maligni melanomi ali karcinomi dojk, sočasno izražanje vmesnih filamentov vimentina in keratina vodi v diferenciacijo ali medsebojno pretvorbo epitelijskih in mezenhimskih celic.

Ta pojav je dokazano eksperimentalno, da povečuje migracijsko in invazivno aktivnost rakavih celic, kar ima pomembne posledice za metastatske procese, značilne za to stanje.

Eriksson in sod. (2009) pregledajo različne vrste bolezni in njihov odnos s specifičnimi mutacijami v genih, ki sodelujejo pri tvorbi šestih vrst vmesnih filamentov.

Bolezni, povezane z mutacijami v genih, ki kodirajo dve vrsti keratina, so epidermoliza bullosa, epidermolitična hiperkeratoza, distrofija roženice, keratoderma in številne druge.

Vmesni filamenti tipa III so vključeni v številne kardiomiopatije in različne mišične bolezni, povezane predvsem z distrofijami. Poleg tega so odgovorni tudi za prevladujočo katarakto in nekatere vrste skleroze.

Številni nevrološki sindromi in motnje so povezani s filamenti tipa IV, kot so Parkinsonovi. Na enak način so genetske okvare filamentov tipa V in VI odgovorne za razvoj različnih avtosomalnih bolezni in povezane z delovanjem celičnega jedra.

Primeri so sindrom progerije Hutchinson-Gilford, mišična distrofija Emery-Dreifuss.

Reference

1. Anderton, BH (1981). Vmesni filamenti: družina homolognih struktur. Journal of Muscle Research and Cell Mobility, 2 (2), 141–166.
2. Eriksson, JE, Pallari, H., Robert, D., Eriksson, JE, Dechat, T., Grin, B.,… Goldman, RD (2009). Uvedba vmesnih nitk: od odkritja do bolezni. Časopis za klinične raziskave, 119 (7), 1763–1771.
3. Fuchs, E., & Weber, K. (1994). Vmesni filamenti: struktura, dinamika, delovanje in bolezen. Annu Rev. Biochem. , 63, 345–382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT in Seftor, REB (1996). Vloga vmesnih filamentov v migraciji, invaziji in metastazi. Recenzije raka in metastaz, 15 (4), 507–525.
5. Herrmann, H., & Aebi, U. (2004). Vmesni filamenti: molekularna struktura, mehanizem sestavljanja in vključevanje v funkcionalno ločene znotrajcelične odre. Letni pregled biokemije, 73 (1), 749–789.
6. Herrmann, H., & Aebi, U. (2016). Vmesni filamenti: konstrukcija in montaža. Perspektive hladne pomladne luke v biologiji, 8, 1–22.
7. McLean, I., & Lane, B. (1995). Vmesni filamenti pri bolezni. Trenutno mnenje o celični biologiji, 7 (1), 118–125.
8. Steinert, P., & Roop, D. (1988). Molekularna in celična biologija vmesnih nitk. Letni pregled biokemije, 57 (1), 593–625.
9. Steinert, P., Jones, J., & Goldman, R. (1984). Vmesni filamenti. The Journal of Cell Biology, 99 (1), 1–6.