TUSSENLIGGENDE FILAMENTEN: STRUCTUUR, TYPEN, FUNCTIES - BIOLOGIE - 2025

De intermediaire filamenten , in de literatuur ook bekend als "IFs" (van de Engelse intermediaire filamenten), zijn een familie van fibreuze eiwitten die in cytosolische onoplosbare stoffen aanwezig zijn in alle cellen van meercellige eukaryoten.

Ze maken deel uit van het cytoskelet, een intracellulair filamenteus netwerk dat voornamelijk verantwoordelijk is voor de ondersteuning van de celstructuur en verschillende metabole en fysiologische processen zoals vesikeltransport, celbeweging en verplaatsing, enz.

Immunofluorescentiemicroscopie van twee eiwitten van de tussenliggende filamenten van astrocyten (Vimentin en GFAP) (Bron: GerryShaw via Wikimedia Commons)

Samen met microtubuli en microfilamenten nemen intermediaire filamenten deel aan de ruimtelijke organisatie van intracellulaire organellen, aan de processen van endocytose en exocytose, en ook aan de processen van celdeling en intercellulaire communicatie.

De eerste intermediaire filamenten die bestudeerd en beschreven werden, waren keratine, een van de eerste soorten eiwitten waarvan de structuur in de jaren dertig door röntgendiffractie werd geanalyseerd.

Het concept van tussenliggende filamenten werd echter in de jaren tachtig geïntroduceerd door Lazarides, die ze beschreef als complexe "mechanische integratoren van de celruimte", gekenmerkt door hun onoplosbaarheid en hun vermogen om in vitro na denaturatie weer in elkaar te zetten.

Ze worden door veel auteurs beschouwd als stress-"buffer" -elementen voor dierlijke cellen, aangezien ze flexibeler filamenten zijn dan microtubuli en microfilamenten. Ze worden niet alleen in het cytoskelet aangetroffen, maar maken ook deel uit van het nucleoskelet.

In tegenstelling tot de andere vezelige componenten van het cytoskelet, nemen de tussenliggende filamenten niet rechtstreeks deel aan de processen van celmobiliteit, maar functioneren ze eerder in het structurele onderhoud en de mechanische weerstand van cellen.

Structuur

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

De tussenliggende filamenten hebben een diameter van ongeveer 10 nm, een structureel kenmerk waarvoor ze zijn genoemd, aangezien hun grootte tussen de afmetingen ligt die overeenkomen met myosine- en actinefilamenten, die tussen 25 en 7 nm liggen. respectievelijk.

Ze verschillen structureel van de andere twee soorten cytoskeletfilamenten, die bolvormige eiwitpolymeren zijn, doordat hun samenstellende eenheden verschillende lange α-helixvezelige eiwitten zijn die samen clusteren om touwachtige structuren te vormen.

Alle eiwitten die de tussenliggende filamenten vormen, hebben een vergelijkbare moleculaire organisatie, bestaande uit een α-helix- of "touw" -domein dat verschillende hoeveelheden "spiraalvormende" segmenten van dezelfde grootte heeft.

Dit helixvormige domein wordt geflankeerd door een N-terminale niet-helixvormige "kop" en een niet-helixvormige "staart" aan het C-terminale uiteinde, die beide variëren in zowel grootte als aminozuursequentie.

Binnen de opeenvolging van deze twee uiteinden bevinden zich de consensusmotieven die gemeenschappelijk zijn voor de 6 bekende typen tussenfilamenten.

Bij gewervelde dieren is het "akkoord" -domein van cytosolische intermediaire filamenteiwitten ongeveer 310 aminozuurresiduen, terwijl cytosolische eiwitten van ongewervelde en nucleaire lamina ongeveer 350 aminozuren lang zijn.

bijeenkomst

Tussenliggende filamenten zijn "zelfassemblerende" structuren die geen enzymatische activiteit bezitten, waardoor ze zich ook onderscheiden van hun tegenhangers in het cytoskelet (microtubuli en microfilamenten).

Deze structuren worden aanvankelijk samengesteld als tetrameren van de filamenteuze eiwitten waaruit ze bestaan, alleen onder invloed van eenwaardige kationen.

Deze tetrameren zijn 62 nm lang en hun monomeren associëren zich lateraal met elkaar om eenheidslengte filamenten (UFL) te vormen, bekend als fase 1 van assemblage, die zeer snel optreedt. .

De UFL's zijn de voorlopers van lange filamenten en aangezien de dimeren waaruit ze bestaan ​​op een antiparallelle en verspringende manier met elkaar zijn verbonden, hebben deze eenheden een centraal domein met twee flankerende domeinen waardoor fase 2 van verlenging plaatsvindt. , waar de longitudinale vereniging van andere UFL's plaatsvindt.

Tijdens wat wordt aangeduid als fase 3 van de assemblage, vindt radiale verdichting van de diameter van de filamenten plaats, wat de volgroeide tussenliggende filamenten produceert met een diameter van ongeveer 10 nm.

Kenmerken

De functies van de tussenliggende filamenten zijn sterk afhankelijk van het beschouwde celtype en, in het geval van dieren (inclusief mensen), wordt hun expressie op een weefselspecifieke manier gereguleerd, waardoor het ook afhankelijk is van het type weefsel dan in studie.

Epitheel, spieren, mesenchymale en gliacellen en neuronen hebben verschillende soorten filamenten, gespecialiseerd volgens de functie van de cellen waartoe ze behoren.

Van deze functies zijn de belangrijkste het structurele onderhoud van de cellen en de weerstand tegen verschillende mechanische spanningen, aangezien deze structuren een zekere elasticiteit hebben waardoor ze verschillende soorten krachten kunnen opvangen die op de cellen worden uitgeoefend.

Soorten tussenliggende filamenten

De eiwitten die de intermediaire filamenten vormen, behoren tot een grote en heterogene familie van filamenteuze eiwitten die chemisch verschillend zijn, maar die worden onderscheiden in zes klassen op basis van hun sequentiehomologie (I, II, III, IV, V en VI).

Hoewel het niet erg gebruikelijk is, kunnen verschillende celtypen, onder zeer specifieke omstandigheden (ontwikkeling, celtransformatie, groei, enz.), Meer dan één klasse van intermediaire filamentvormende eiwitten tot expressie brengen.

Klasse I en II intermediaire filamenten: zure en basische keratine

Keratines vertegenwoordigen de meerderheid van de eiwitten in de intermediaire filamenten en bij mensen vertegenwoordigen ze meer dan driekwart van de intermediaire filamenten.

Ze hebben molecuulgewichten die variëren tussen 40 en 70 kDa en verschillen van andere intermediaire filamenteiwitten door hun hoge gehalte aan glycine- en serineresiduen.

Ze staan ​​bekend als zure en basische keratines vanwege hun iso-elektrische punten, die tussen 4,9 en 5,4 liggen voor zure keratine en tussen 6,1 en 7,8 voor basische keratine.

In deze twee klassen zijn ongeveer 30 eiwitten beschreven en deze zijn vooral aanwezig in epitheelcellen, waar beide typen eiwitten "co-polymeriseren" en samengestelde filamenten vormen.

Veel van de keratines van het tussenliggende filamentgeval I worden aangetroffen in structuren zoals haar, nagels, hoorns, spikes en klauwen, terwijl die van klasse II het meest voorkomen in het cytosol.

Klasse III intermediaire filamenten: eiwitten van het desmine / vimentine-type

Desmine is een zuur eiwit van 53 kDa dat, afhankelijk van de mate van fosforylering, verschillende varianten heeft.

Sommige auteurs hebben desmine-filamenten ook "intermediaire spierfilamenten" genoemd, omdat hun aanwezigheid vrij beperkt is, hoewel in kleine hoeveelheden, tot alle soorten spiercellen.

In myofibrillen wordt desmine aangetroffen in de Z-lijn, dus wordt aangenomen dat dit eiwit bijdraagt ​​aan de contractiele functies van spiervezels door te functioneren op de kruising van myofibrillen en het plasmamembraan.

Foto van de kleuring van het eiwit Vimentin, een eiwit van de tussenliggende filamenten van epitheliale en embryonale cellen (Bron: Viktoriia Kosach via Wikimedia Commons)

Vimentine is op zijn beurt een eiwit dat aanwezig is in mesenchymale cellen. De tussenliggende filamenten die door dit eiwit worden gevormd, zijn flexibel en blijken bestand te zijn tegen veel van de conformatieveranderingen die optreden tijdens de celcyclus.

Het wordt aangetroffen in fibroblasten, gladde spiercellen, witte bloedcellen en andere cellen in de bloedsomloop van dieren.

Klasse IV intermediaire filamenten: neurofilament-eiwitten

Deze klasse van tussenliggende filamenten, ook bekend als "neurofilamenten", omvat één van de fundamentele structurele elementen van neuronale axonen en dendrieten; ze worden vaak geassocieerd met de microtubuli waaruit deze structuren ook bestaan.

De neurofilamenten van gewervelde dieren zijn geïsoleerd, wat aangeeft dat het een triplet is van eiwitten van 200, 150 en 68 kDa die deelnemen aan de assemblage in vitro.

Ze verschillen van andere tussenliggende filamenten doordat ze zijarmen hebben als "aanhangsels" die uit de omtrek daarvan steken en die functioneren in de interactie tussen naburige filamenten en andere structuren.

Gliacellen produceren een speciaal type tussenfilamenten, bekend als gliale tussenfilamenten, die structureel verschillen van neurofilamenten doordat ze zijn samengesteld uit een enkel eiwit van 51 kDa en verschillende fysisch-chemische eigenschappen hebben.

Tussenfilamentklasse V: nucleaire lamina-filamenten

Alle laminae die deel uitmaken van het nucleoskelet zijn eigenlijk intermediaire filamenteiwitten. Deze hebben een molecuulgewicht tussen 60 en 75 kDa en worden aangetroffen in de kernen van alle eukaryote cellen.

Ze zijn essentieel voor de interne organisatie van de nucleaire regio's en voor veel van de functies van dit organel die essentieel zijn voor het bestaan ​​van eukaryoten.

Klasse VI tussenfilament: Nestinas

Dit type tussenfilament weegt ongeveer 200 kDa en wordt voornamelijk aangetroffen in stamcellen van het centrale zenuwstelsel. Ze komen tot uiting tijdens neuronale ontwikkeling.

Gerelateerde pathologieën

Er zijn meerdere ziekten bij mensen die verband houden met tussenliggende filamenten.

Bij sommige soorten kanker, zoals kwaadaardige melanomen of borstcarcinomen, leidt de gezamenlijke expressie van tussenliggende filamenten van vimentine en keratine tot de differentiatie of onderlinge omzetting van epitheliale en mesenchymale cellen.

Experimenteel is aangetoond dat dit fenomeen de migrerende en invasieve activiteit van kankercellen verhoogt, wat belangrijke implicaties heeft voor de metastatische processen die kenmerkend zijn voor deze aandoening.

Eriksson et al. (2009) bespreken de verschillende soorten ziekten en hun relatie met specifieke mutaties in de genen die betrokken zijn bij de vorming van de zes soorten intermediaire filamenten.

Ziekten die verband houden met mutaties in de genen die coderen voor de twee soorten keratine zijn epidermolysis bullosa, epidermolytische hyperkeratose, corneadystrofie, keratodermie en vele andere.

Type III intermediaire filamenten zijn betrokken bij talrijke cardiomyopathieën en bij verschillende spierziekten die voornamelijk verband houden met dystrofieën. Bovendien zijn ze ook verantwoordelijk voor dominante cataracten en sommige soorten sclerose.

Veel neurologische syndromen en aandoeningen zijn geassocieerd met type IV-filamenten, zoals Parkinson. Op dezelfde manier zijn genetische defecten in type V- en VI-filamenten verantwoordelijk voor de ontwikkeling van verschillende autosomale ziekten en houden ze verband met het functioneren van de celkern.

Voorbeelden hiervan zijn onder meer het Hutchinson-Gilford-progeria-syndroom, Emery-Dreifuss-spierdystrofie.

Referenties

1. Anderton, BH (1981). Tussenliggende filamenten: een familie van homologe structuren. 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). Introductie van tussenliggende filamenten: van ontdekking tot ziekte. The Journal of Clinical Investigation, 119 (7), 1763-1771.
3. Fuchs, E., & Weber, K. (1994). Tussenliggende filamenten: structuur, dynamiek, functie en ziekte. Annu. Rev. Biochem. , 63, 345-382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT en Seftor, REB (1996). De rol van intermediaire filamenten bij migratie, invasie en metastase. Reviews voor kanker en metastase, 15 (4), 507-525.
5. Herrmann, H., & Aebi, U. (2004). Tussenliggende filamenten: moleculaire structuur, assemblagemechanisme en integratie in functioneel onderscheiden intracellulaire steigers. Annual Review of Biochemistry, 73 (1), 749-789.
6. Herrmann, H., & Aebi, U. (2016). Tussenliggende filamenten: structuur en montage. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8, 1–22.
7. McLean, I., & Lane, B. (1995). Tussenliggende filamenten bij ziekte. Current Opinion in Cell Biology, 7 (1), 118–125.
8. Steinert, P., & Roop, D. (1988). Moleculaire en cellulaire biologie van tussenliggende filamenten. Annual Review of Biochemistry, 57 (1), 593–625.
9. Steinert, P., Jones, J., & Goldman, R. (1984). Tussenliggende filamenten. The Journal of Cell Biology, 99 (1), 1-6.