MELLEMTRÅD: STRUKTUR, TYPER, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

De mellemliggende filamenter, også kendt i litteraturen som "IF'er" (af de engelske mellemliggende filamenter), er en familie af fibrøse proteiner, der er cytosoliske uopløselige stoffer til stede i alle celler af multicellulære eukaryoter.

De er en del af cytoskelettet, som er et intracellulært filamentøst netværk, der hovedsageligt er ansvarlig for understøttelse af cellestrukturen og forskellige metaboliske og fysiologiske processer såsom vesikeltransport, cellebevægelse og forskydning osv.

Immunofluorescensmikroskopi af to proteiner fra mellemliggende filamenter i astrocytter (Vimentin og GFAP) (Kilde: GerryShaw via Wikimedia Commons)

Sammen med mikrotubuli og mikrofilamenter deltager mellemliggende filamenter i den rumlige organisering af intracellulære organeller, i processerne med endocytose og exocytose, og også i processerne med celledeling og intercellulær kommunikation.

De første mellemliggende filamenter, der blev undersøgt og beskrevet, var keratiner, en af ​​de første typer proteiner, hvis struktur blev analyseret ved røntgendiffraktion i 1930'erne.

Begrebet mellemliggende filamenter blev imidlertid introduceret i 1980'erne af Lazarides, der beskrev dem som komplekse "mekaniske integratorer af celleplads", kendetegnet ved deres uopløselighed og deres evne til at samle igen in vitro efter denaturering.

De betragtes af mange forfattere som stress "buffer" -elementer til dyre celler, da de er mere fleksible filamenter end mikrotubuli og mikrofilamenter. De findes ikke kun i cytoskelettet, men de er også en del af nukleoskelettet.

I modsætning til de andre fibrøse komponenter i cytoskelettet deltager de mellemliggende filamenter ikke direkte i processerne med cellemobilitet, men fungerer snarere i den strukturelle vedligeholdelse og mekaniske modstand af celler.

Struktur

Kilde:

De mellemliggende filamenter har en omtrentlig diameter på 10 nm, en strukturel karakteristik, som de blev navngivet til, da deres størrelse er mellem størrelserne svarende til myosin- og actinfilamenter, som er mellem 25 og 7 nm. henholdsvis.

De adskiller sig strukturelt fra de to andre typer cytoskeletale filamenter, som er kugleformede proteinpolymerer, idet deres bestanddele er forskellige langsomme a-heliske fibrøse proteiner, der klynger sammen for at danne reblignende strukturer.

Alle proteiner, der udgør de mellemliggende filamenter, har en lignende molekylær organisation, der består af et a-helisk eller "reb" domæne, der har forskellige mængder af "spiralformende" segmenter af samme størrelse.

Dette spiralformede domæne er flankeret af et N-terminal ikke-spiralformet "hoved" og en ikke-spiralformet "hale" ved den C-terminale ende, som begge varierer i både størrelse og aminosyresekvens.

I sekvensen af ​​disse to ender er konsensusmotiverne, der er almindelige for de 6 kendte mellemliggende filamenter.

I hvirveldyrer er "akkord" -domænet for cytosoliske mellemliggende filamentproteiner ca. 310 aminosyrerester, medens cytosoliske proteiner i hvirvelløse og nukleare lamina er ca. 350 aminosyrer.

montage

Mellemprodukter er "selvmonterende" strukturer, der ikke har enzymatisk aktivitet, hvilket også adskiller dem fra deres cytoskeletale modstykker (mikrotubuli og mikrofilamenter).

Disse strukturer er oprindeligt samlet som tetramere af de filamentøse proteiner, der udgør dem kun under påvirkning af monovalente kationer.

Disse tetramere er 62 nm lange, og deres monomerer associeres med hinanden sideværts for at danne enhedslængde-filamenter (UFL), kendt som fase 1 i samlingen, der forekommer meget hurtigt..

UFL'erne er forløbere for lange filamenter, og da dimerer, der udgør dem, er sammenføjet på en antiparallel og forskudt måde, har disse enheder et centralt domæne med to flankerende domæner, gennem hvilke fase 2 af forlængelse forekommer., hvor den langsgående forening af andre UFL'er forekommer.

Under det, der er blevet betegnet som fase 3 i samlingen, forekommer radial komprimering af diameteren af ​​filamenterne, som frembringer de modne mellemliggende filamenter med mere eller mindre 10 nm i diameter.

Funktioner

Mellemfilamenternes funktioner afhænger betydeligt af den betragtede celletype, og for dyr (inklusive mennesker) reguleres deres ekspression på en vævsspecifik måde, hvorfor den også afhænger af vævstypen end i undersøgelse.

Epithelia, muskler, mesenchymale celler og gliaceller og neuroner har forskellige typer filamenter, der er specialiseret i henhold til funktionen af ​​de celler, de tilhører.

Blandt disse funktioner er det vigtigste strukturel vedligeholdelse af cellerne og modstanden mod forskellige mekaniske spændinger, da disse strukturer har en vis elasticitet, der giver dem mulighed for at dæmpe forskellige typer kræfter, der pålægges cellerne.

Typer af mellemliggende filamenter

Proteinerne, der udgør de mellemliggende filamenter, hører til en stor og heterogen familie af filamentøse proteiner, der er kemisk forskellige, men som adskilles i seks klasser i henhold til deres sekvenshomologi (I, II, III, IV, V og VI).

Selvom det ikke er meget almindeligt, kan forskellige typer celler under meget bestemte betingelser (udvikling, celletransformation, vækst osv.) Co-udtrykke mere end en klasse af mellemliggende filamentdannende proteiner

Mellemfilamenter i klasse I og II: sure og basiske keratiner

Keratiner repræsenterer størstedelen af ​​proteinerne i de mellemliggende filamenter, og hos mennesker repræsenterer de mere end tre fjerdedele af de mellemliggende filamenter.

De har molekylvægte, der varierer mellem 40 og 70 kDa og adskiller sig fra andre mellemliggende filamentproteiner ved deres høje indhold af glycin og serinrester.

De er kendt som sure og basiske keratiner på grund af deres isoelektriske punkter, der er mellem 4,9 og 5,4 for sure keratiner og mellem 6,1 og 7,8 for basiske.

I disse to klasser er omkring 30 proteiner blevet beskrevet og er til stede især i epitelceller, hvor begge typer proteiner "co-polymeriserer" og danner forbindelsesfilamenter.

Mange af de mellemliggende filamenttilfælde I keratiner findes i strukturer som hår, negle, horn, pigge og kløer, mens de i klasse II er de mest rigelige i cytosol.

Mellemfilamenter af klasse III: proteiner af desmin / vimentin-type

Desmin er et surt protein på 53 kDa, der afhængigt af graden af ​​phosphorylering har forskellige varianter.

Nogle forfattere har også kaldt desmin filamenter "mellemliggende muskelfilamenter", da deres tilstedeværelse er ret begrænset, skønt i små mængder, til alle typer muskelceller.

I myofibriller findes desmin i Z-linjen, så det antages, at dette protein bidrager til de kontraktile funktioner af muskelfibre ved at fungere i krydset mellem myofibriller og plasmamembranen.

Foto af farvning af proteinet Vimentin, et protein fra de mellemliggende filamenter i epitelceller og embryonale celler (Kilde: Viktoriia Kosach via Wikimedia Commons)

Til gengæld er vimentin et protein, der er til stede i mesenchymale celler. De mellemliggende filamenter dannet af dette protein er fleksible og har vist sig at modstå mange af de konformationelle ændringer, der forekommer i løbet af cellecyklussen.

Det findes i fibroblaster, glatte muskelceller, hvide blodlegemer og andre celler i kredsløbssystemet hos dyr.

Mellemliggende filamenter af klasse IV: neurofilamentproteiner

Også kendt som "neurofilamenter", denne klasse af mellemliggende filamenter omfatter et af de grundlæggende strukturelle elementer i neuronale aksoner og dendritter; de er ofte forbundet med mikrotubulerne, der også udgør disse strukturer.

Neurofilamenterne hos hvirveldyr er blevet isoleret og bestemmer, at det er en triplet af proteiner på 200, 150 og 68 kDa, der deltager i samlingen in vitro.

De adskiller sig fra andre mellemliggende filamenter, idet de har sidearme som "vedhæng", der rager ud fra periferien deraf, og som fungerer i samspillet mellem tilstødende filamenter og andre strukturer.

Gliaceller producerer en speciel type mellemliggende filamenter kendt som glial mellemliggende filamenter, som adskiller sig strukturelt fra neurofilamenter, idet de er sammensat af et enkelt 51 kDa protein og har forskellige fysisk-kemiske egenskaber.

Mellemtrådsklasse V: kernelamina-filamenter

Alle laminae, der er en del af nukleoskelettet, er faktisk mellemliggende filamentproteiner. Disse er mellem 60 og 75 kDa i molekylvægt og findes i kernerne i alle eukaryote celler.

De er essentielle for den interne organisering af nukleare regioner og for mange af disse organelle funktioner, der er afgørende for eksistensen af ​​eukaryoter.

Mellemtrådsklasse VI: Nestinas

Denne type mellemliggende filament vejer ca. 200 kDa og findes overvejende i stamceller i centralnervesystemet. De udtrykkes under neuronal udvikling.

Relaterede patologier

Der er flere sygdomme hos mennesker, der er relateret til mellemliggende filamenter.

I nogle typer kræft, såsom ondartede melanomer eller brystkarcinomer, for eksempel fører co-ekspression af mellemliggende filamenter af vimentin og keratin til differentiering eller interkonvertering af epitel- og mesenkymceller.

Dette fænomen er eksperimentelt vist at øge den migrerende og invasive aktivitet af kræftceller, hvilket har vigtige implikationer for de metastatiske processer, der er karakteristiske for denne tilstand.

Eriksson et al. (2009) gennemgår de forskellige typer sygdomme og deres forhold til specifikke mutationer i generne involveret i dannelsen af ​​de seks typer mellemliggende filamenter.

Sygdomme relateret til mutationer i generne, der koder for de to typer keratin, er epidermolyse bullosa, epidermolytisk hyperkeratose, hornhinderdystrofi, keratoderma og mange andre.

Mellemfilamenter af type III er involveret i adskillige kardiomyopatier og i forskellige muskelsygdomme hovedsageligt relateret til dystrofier. Derudover er de også ansvarlige for dominerende grå stær og nogle typer af sklerose.

Mange neurologiske syndromer og lidelser er forbundet med type IV-filamenter, såsom Parkinson. På samme måde er genetiske defekter i type V- og VI-filamenter ansvarlige for udviklingen af ​​forskellige autosomale sygdomme og relateret til funktionen af ​​cellekernen.

Eksempler på disse er Hutchinson-Gilford progeria syndrom, Emery-Dreifuss muskeldystrofi, blandt andre.

Referencer

1. Anderton, BH (1981). Mellemtråd: en familie af homologe strukturer. Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2 (2), 141–166.
2. Eriksson, JE, Pallari, H., Robert, D., Eriksson, JE, Dechat, T., Grin, B.,… Goldman, RD (2009). Introduktion af mellemliggende filamenter: fra opdagelse til sygdom. Journal of Clinical Investigation, 119 (7), 1763–1771.
3. Fuchs, E., & Weber, K. (1994). Mellemfilamenter: Struktur, dynamik, funktion og sygdom. Annu. Præsten Biochem. 63, 345–382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT, & Seftor, REB (1996). Roll af mellemliggende filamenter i migration, invasion og metastase. Cancer and Metastasis Reviews, 15 (4), 507–525.
5. Herrmann, H., & Aebi, U. (2004). Mellemfilamenter: Molekylær struktur, monteringsmekanisme og integration i funktionelt distinkte intracellulære stilladser. Årlig gennemgang af biokemi, 73 (1), 749–789.
6. Herrmann, H., & Aebi, U. (2016). Mellemfilamenter: Struktur og samling. Cold Spring Harbour Perspectives in Biology, 8, 1–22.
7. McLean, I., & Lane, B. (1995). Mellemliggende filamenter i sygdom. Aktuel udtalelse i cellebiologi, 7 (1), 118–125.
8. Steinert, P., & Roop, D. (1988). Molekylær og cellulær biologi af mellemliggende filamenter. Årlig gennemgang af biokemi, 57 (1), 593–625.
9. Steinert, P., Jones, J., & Goldman, R. (1984). Mellemtråd. Journal of Cell Biology, 99 (1), 1–6.