MELLOMTRÅD: STRUKTUR, TYPER, FUNKSJONER - BIOLOGI - 2025

De intermediære filamenter , også kjent i litteraturen som "IF" (på engelsk intermediære filamenter), er en familie av fibrøse proteiner cytosoliske uoppløselige stoffer er til stede i alle celler fra flercellede eukaryoter.

De er en del av cytoskjelettet, som er et intracellulært filamentøst nettverk som hovedsakelig er ansvarlig for understøttelse av cellestrukturen og forskjellige metabolske og fysiologiske prosesser som vesikkeltransport, cellebevegelse og forskyvning, etc.

Immunofluorescensmikroskopi av to proteiner fra mellomfilamentene til astrocytter (Vimentin og GFAP) (Kilde: GerryShaw via Wikimedia Commons)

Sammen med mikrotubuli og mikrofilamenter deltar mellomliggende filamenter i den romlige organisasjonen av intracellulære organeller, i prosessene for endocytose og eksocytose, og også i prosessene for celledeling og intercellulær kommunikasjon.

De første mellomfilamentene som ble studert og beskrevet var keratiner, en av de første typene proteiner hvis struktur ble analysert ved røntgendiffraksjon på 1930-tallet.

Begrepet mellomfilament ble imidlertid introdusert på 1980-tallet av Lazarides, som beskrev dem som komplekse "mekaniske integratorer av celleområdet", preget av deres uoppløselighet og deres evne til å samle seg in vitro etter denaturering.

De blir av mange forfattere betraktet som "buffer" -elementer for dyreceller, siden de er mer fleksible filamenter enn mikrotubuli og mikrofilamenter. De finnes ikke bare i cytoskjelettet, men de er også en del av nukleoskjelettet.

I motsetning til de andre fibrøse komponentene i cytoskjelettet, deltar de mellomliggende filamentene ikke direkte i prosessene for cellemobilitet, men fungerer heller i cellers strukturelle vedlikehold og mekaniske motstand.

Struktur

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

Mellomfilamentene har en omtrentlig diameter på 10 nm, et strukturelt kjennetegn som de ble navngitt for, ettersom størrelsen er mellom størrelsene som tilsvarer myosin- og aktinfilamenter, som er mellom 25 og 7 nm. henholdsvis.

De skiller seg strukturelt fra de to andre typene cytoskeletale filamenter, som er kuleformede proteinpolymerer, ved at deres bestanddeler er distinkte lang-lengde α-spiralformede fibrøse proteiner som klynger seg sammen for å danne rep-lignende strukturer.

Alle proteiner som utgjør de mellomliggende filamentene har en lignende molekylær organisasjon, bestående av et α-spiralformet eller "tau" domene som har forskjellige mengder "spiralformende" segmenter av samme størrelse.

Dette spiralformede domene er flankert av et N-terminalt ikke-spiralformet "hode" og en ikke-spiralformet "hale" ved den C-terminale enden, som begge varierer i både størrelse og aminosyresekvens.

Innenfor sekvensen av disse to endene er konsensusmotivene som er vanlige for de 6 typene mellomliggende filamenter som er kjent.

I virveldyr er "akkord" -domenet til cytosoliske mellomfilamentproteiner omtrent 310 aminosyrerester, mens cytosoliske proteiner i virvelløse dyr og nukleære lamina er omtrent 350 aminosyrer.

montering

Mellomliggende filamenter er "selvmonterende" strukturer som ikke har enzymatisk aktivitet, noe som også skiller dem fra deres cytoskeletale kolleger (mikrotubuli og mikrofilamenter).

Disse strukturene er opprinnelig satt sammen som tetramere av de trådformede proteinene som utgjør dem under påvirkning av bare monovalente kationer.

Disse tetramerer er 62 nm lange, og deres monomerer assosieres med hverandre i siderett for å danne enhetslengde-filamenter (UFL), kjent som fase 1 i samlingen, som forekommer veldig raskt. .

UFL er forløpere for lange filamenter, og siden dimerer som utgjør dem er sammenføyd på en antiparallell og forskjøvet måte, har disse enhetene et sentralt domene med to flankerende domener hvor fase 2 av forlengelse oppstår. , der langsgående forening av andre UFL-er oppstår.

Under det som er blitt betegnet som fase 3 av monteringen, oppstår radiell komprimering av diameteren til filamentene, som frembringer de modne mellomfilamentene på mer eller mindre 10 nm i diameter.

Egenskaper

Funksjonene til mellomfilamentene avhenger betydelig av typen celle som vurderes, og for dyr (inkludert mennesker) reguleres deres uttrykk på en vevsspesifikk måte, og det avhenger også av vevstypen enn i studie.

Epitelia, muskler, mesenkymale celler og gliaceller og nevroner har forskjellige typer filamenter, spesialisert i henhold til funksjonen til cellene de tilhører.

Blant disse funksjonene er de viktigste strukturell vedlikehold av celler og motstand mot forskjellige mekaniske påkjenninger, siden disse strukturene har en viss elastisitet som gjør at de kan dempe forskjellige typer krefter pålagt cellene.

Typer mellomliggende filamenter

Proteinene som utgjør de mellomliggende filamentene tilhører en stor og heterogen familie av filamentøse proteiner som er kjemisk forskjellige, men som skilles ut i seks klasser i henhold til deres sekvenshomologi (I, II, III, IV, V og VI).

Selv om det ikke er veldig vanlig, kan forskjellige typer celler under meget spesielle forhold (utvikling, celletransformasjon, vekst, etc.) samuttrykke mer enn en klasse mellomliggende filamentdannende proteiner

Mellomfilament av klasse I og II: sure og basiske keratiner

Keratiner representerer majoriteten av proteinene i mellomfilamentene, og hos mennesker representerer de mer enn tre fjerdedeler av de mellomliggende filamentene.

De har molekylvekter som varierer mellom 40 og 70 kDa og skiller seg fra andre mellomliggende filamentproteiner ved deres høye innhold av glycin og serinrester.

De er kjent som sure og basiske keratiner på grunn av deres isoelektriske punkter, som er mellom 4,9 og 5,4 for sure keratiner og mellom 6,1 og 7,8 for basiske.

I disse to klassene er rundt 30 proteiner blitt beskrevet og er til stede spesielt i epitelceller, der begge typer proteiner "ko-polymeriserer" og danner sammensatte filamenter.

Mange av de mellomliggende glødetrådene I-keratiner finnes i strukturer som hår, negler, horn, pigger og klør, mens de i klasse II er de mest tallrike i cytosolen.

Mellomfilament av klasse III: Proteiner av desmin / vimentin-type

Desmin er et surt protein på 53 kDa som, avhengig av fosforylasjonsgraden, har forskjellige varianter.

Noen forfattere har også kalt desmin-filamenter "mellomliggende muskelfilamenter", siden deres tilstedeværelse er ganske begrenset, men i små mengder, til alle typer muskelceller.

I myofibriller finnes desmin i Z-linjen, så det antas at dette proteinet bidrar til de kontraktile funksjonene til muskelfibre ved å fungere i krysset mellom myofibriller og plasmamembranen.

Fotografi av farging av proteinet Vimentin, et protein fra mellomfilamentene i epitelceller og embryonale celler (Kilde: Viktoriia Kosach via Wikimedia Commons)

I sin tur er vimentin et protein som finnes i mesenkymale celler. Mellomfilamentene dannet av dette proteinet er fleksible og har blitt funnet å motstå mange av de konformasjonsendringer som skjer under cellesyklusen.

Det finnes i fibroblaster, glatte muskelceller, hvite blodlegemer og andre celler i sirkulasjonssystemet til dyr.

Mellomfilament av klasse IV: neurofilamentproteiner

Også kjent som "nevrofilamenter", denne klassen av mellomliggende filamenter omfatter et av de grunnleggende strukturelle elementene i nevronale aksoner og dendritter; de er ofte assosiert med mikrotubuli som også utgjør disse strukturene.

Nevrofilamentene til virveldyr har blitt isolert, og bestemmer at det er en triplett med proteiner på 200, 150 og 68 kDa som deltar i forsamlingen in vitro.

De skiller seg fra andre mellomfilamenter ved at de har sidearmer som "vedheng" som rager ut fra periferien til det samme, og som fungerer i samspillet mellom nabofilamentene og andre strukturer.

Glialceller produserer en spesiell type mellomliggende filamenter kjent som glial mellomliggende filamenter, som skiller seg strukturelt fra nevrofilamenter ved at de er sammensatt av et enkelt 51 kDa protein og har forskjellige fysisk-kjemiske egenskaper.

Mellomfilamentklasse V: kjernelamina-filamenter

Alle lamineringene som er en del av nukleoskelettet er faktisk mellomliggende filamentproteiner. Disse er mellom 60 og 75 kDa i molekylvekt og finnes i kjernene i alle eukaryote celler.

De er viktige for den interne organisasjonen av kjernefysiske regioner og for mange av funksjonene til denne organellen som er essensielle for eksistensen av eukaryoter.

Mellomtrådsklasse VI: Nestinas

Denne typen mellomfilament veier omtrent 200 kDa og finnes hovedsakelig i stamceller i sentralnervesystemet. De kommer til uttrykk under neuronal utvikling.

Beslektede patologier

Det er flere sykdommer hos mennesker som er relatert til mellomfilamenter.

I noen typer kreft, som ondartede melanomer eller brystkarsinomer, for eksempel, fører samekspresjon av mellomliggende filamenter av vimentin og keratin til differensiering eller interkonversjon av epiteliale og mesenkymale celler.

Dette fenomenet har vist seg eksperimentelt å øke den trekkende og invasive aktiviteten til kreftceller, noe som har viktige implikasjoner for de metastatiske prosessene som er karakteristiske for denne tilstanden.

Eriksson et al. (2009) gjennomgår de forskjellige typene sykdommer og deres forhold til spesifikke mutasjoner i genene som er involvert i dannelsen av de seks typene mellomfilament.

Sykdommer relatert til mutasjoner i genene som koder for de to typene keratin, er epidermolysis bullosa, epidermolytisk hyperkeratose, hornhinnedystrofi, keratoderma og mange andre.

Mellomfilament av type III er involvert i en rekke kardiomyopatier og i forskjellige muskelsykdommer hovedsakelig relatert til dystrofier. I tillegg er de også ansvarlige for dominerende grå stær og noen typer sklerose.

Mange nevrologiske syndromer og lidelser er assosiert med type IV-filamenter, for eksempel Parkinson. På samme måte er genetiske defekter i type V- og VI-filamenter ansvarlige for utviklingen av forskjellige autosomale sykdommer og relatert til funksjonen av cellekjernen.

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

referanser

1. Anderton, BH (1981). Mellomtråd: en familie med 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). Introduksjon av mellomliggende filamenter: fra funn til sykdom. Journal of Clinical Investigation, 119 (7), 1763–1771.
3. Fuchs, E., & Weber, K. (1994). Mellomfilamenter: Struktur, dynamikk, funksjon og sykdom. Annu. Pastor Biochem. , 63, 345–382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT, & Seftor, REB (1996). Rollen av mellomfilamenter i migrasjon, invasjon og metastase. Cancer and Metastasis Reviews, 15 (4), 507–525.
5. Herrmann, H., & Aebi, U. (2004). Mellomfilamenter: Molekylær struktur, monteringsmekanisme og integrering i funksjonelt distinkte intracellulære stillaser. Årlig gjennomgang av biokjemi, 73 (1), 749–789.
6. Herrmann, H., & Aebi, U. (2016). Mellomfilamenter: Struktur og montering. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8, 1–22.
7. McLean, I., & Lane, B. (1995). Mellomliggende filamenter ved sykdom. Current Opinion in Cell Biology, 7 (1), 118–125.
8. Steinert, P., & Roop, D. (1988). Molekylær og cellulær biologi av mellomfilamenter. Årlig gjennomgang av biokjemi, 57 (1), 593–625.
9. Steinert, P., Jones, J., & Goldman, R. (1984). Mellomtråd. The Journal of Cell Biology, 99 (1), 1–6.