Intermediate filaments zijn belangrijke componenten van het cytoskeletstelsel van de cel. Ze kunnen organellen stabiliseren, zoals de celkern, of ze kunnen betrokken zijn bij gespecialiseerde knooppunten. Zij onderscheiden zich van “dunne filamenten” door hun grootte (8-10 nm) en het feit dat dunne filamenten duidelijk beweeglijk zijn. Recente gegevens wijzen er echter op dat intermediaire filamenten ook dynamische eigenschappen kunnen hebben. Zie de zijbalk voor enkele foto’s.
Intermediate filamenten zijn een van de drie typen cytoskeletale elementen. De andere twee zijn dunne filamenten (actine) en microtubuli. Vaak werken de drie componenten samen om zowel de structurele integriteit, de celvorm, als de beweeglijkheid van cellen en organellen te verbeteren. Intermediaire filamenten zijn stabiel en duurzaam. Hun diameter varieert van 8-10 nm (gemiddeld in grootte vergeleken met dunne filamenten en microtubuli). Zij zijn prominent aanwezig in cellen die bestand zijn tegen mechanische stress en zijn het meest onoplosbare deel van de cel. De intermediaire filamenten kunnen met ureum worden losgemaakt.
Er zijn vijf verschillende typen intermediaire filamenten:
- Typen I en II: respectievelijk zure keratine en basische keratine. Geproduceerd door verschillende soorten epitheelcellen (blaas, huid, enz.).
- Type III. Intermediaire filamenten worden verspreid in een aantal celtypen, waaronder: Vimentine in fibroblasten, endotheelcellen en leukocyten; desmin in spieren; gliale fibrillaire zure factor in astrocyten en andere soorten glia, en peripherine in perifere zenuwvezels.
- Type IV Neurofilament H (heavy), M (medium) en L (low). Modifiers verwijzen naar het moleculaire gewicht van de NF-eiwitten. Een ander type IV is “internexin” en enkele niet-standaard IV’s worden aangetroffen in lensvezels van het oog (filensine en phakinine).
- Type V zijn de lamines die een nucleaire signaalsequentie hebben zodat zij een filamenteuze drager kunnen vormen binnen het binnenste kernmembraan. Lamines zijn van vitaal belang voor de hervorming van de nucleaire enveloppe na de celdeling.
Intermediate Filament Polymerization.
De monomeer:
Elk intermediair filament monomeer bestaat uit een alfa-helisch staafdomein, dat de amino- (kop) en carboxyl- (staart) uiteinden verbindt. Onderstaande figuur (16-12 uit Alberts et al Biology of the cell, Garland Publishing, N.Y. 1996) toont enkele voorbeelden van monomeren.
Vorming van het protofilament
De staafjes wikkelen zich als een koord om een ander filament en vormen zo een dimeer. De N- en C-polen van elk filament liggen op één lijn. Sommige intermediaire filamenten vormen homodimeren; andere vormen heterodimeren.
Deze dimeren vormen vervolgens verspringende tetrameren die kop-staart op één lijn liggen. Merk op dat de carboxy- en amineterminals uit dit protofilament steken. Dit tetrameer wordt beschouwd als de basissubeenheid van het intermediaire filament.
Het uiteindelijke filament van 10 nm is een spiraalvormige array van deze tetrameren.
Regulatie van assemblage of ontmanteling van intermediaire filamenten.
De meeste intermediaire filamenten zijn volledig gepolymeriseerd. Er zijn echter aanwijzingen dat zelfs deze stabiele structuren dynamische eigenschappen hebben. Er bevindt zich wat vrij tetrameer in het cytoplasma, alsof dit de basissubeenheid is voor de assemblage van nieuwe filamenten. Ook kan men, als men serineresten in de amino terminals fosforyleert, ontmanteling veroorzaken.
Er wordt gelabeld tetramer toegevoegd aan een cel die dat type intermediair filament produceert. Je kunt zien hoe het tetrameer wordt opgenomen in het cytoskelet en hoe het label zichtbaar is in een lineaire of kronkelende reeks. Voeg je het toe aan een cel die normaal gesproken geen tetrameer produceert, dan wordt het niet toegevoegd en zal het cytoskelet niet “oplichten”.
Dit kan worden getest met fluorescentieherstel na fotobleken (FRAP)
Deze techniek maakt gebruik van UV-laserlicht om een gebied met label in een cel te bleken. Vervolgens kan men het herstel van het label timen, hetzij na introductie van nieuw gelabeld materiaal, hetzij via eenvoudige beweging van het label in de structuur. In het geval van de intermediaire filamenten kan met FRAP de incorporatie van gelabelde tetrameren in een gebleekte plek in het cytoskelet worden gedetecteerd. Men kan de tijdstippen van incorporatie van verschillende typen tetrameren in verschillende typen intermediaire filamenten vergelijken. Men kan ook de beweeglijkheid van deze structuren observeren. De paper die voor deze lezing zal worden gelezen, toont voorbeelden van deze beide soorten tests. In de cel hieronder vormt zich een donkere vlek na het fotobleken met de laser. De vlek is na 30 min kleiner en na 2 uur bijna verdwenen.
Intermediate Filament Associated Proteins
Intermediate filament associated proteins kunnen filamenten in kruisverband binden (om de stabiliteit te verbeteren), of ze kunnen de filamenten aan andere structuren binden. Hieronder volgen enkele voorbeelden.
- Plectin: Cross linkt met microtubuli
- Lamin receptor B: bindt aan binnenste kernmembraan
- Ankyryn: bindt actine aan Intermediaire filamenten aan de basis van de cel
- Desmoplakin: bindt tussenliggende filamenten op de plaats van desmosomen
Typen tussenliggende filamenten
Laminen
In de evolutie waren Laminen waarschijnlijk de eerste tussenliggende filamenten die werden gemaakt.Ze hebben een zeer lang staafdomein en dragen een nucleair transportsignaal, omdat ze zich in de kern bevinden, net onder het kernomhulsel. Ze zijn continu, afgezien van een onderbreking op de plaats van het kernporecomplex.
Hierboven is te zien dat ze een roosterachtige array vormen (uit Albertset al, Garland Press, NY). De figuur links is een elektronenmicrografie van het gebied dat de lamines bevat, net binnen het kernomhulsel. Ze zijn moeilijk te onderscheiden van het nabijgelegen dichte heterochromatine.
Laminen worden aan het eind van de profase gefosforyleerd, waardoor ze uit elkaar vallen als ook het omhulsel van de kern afbreekt. Vervolgens wordt het fosfaat verwijderd vlak voordat de kernen van de dochtercel worden gevormd en worden de laminaire filamenten weer samengevoegd rond elk stel chomosomen, onder het binnenste kernmembraan van elke dochtercel. Men kan dit proces blokkeren door antilichamen tegen lamines toe te voegen voordat de kernmembranen worden gevormd.
Gespecialiseerde knooppunten
Typen I en II intermediaire filamenten zijn respectievelijk zure en basische keratines. Hun monomeren worden in dezelfde cellen aangetroffen en de dimeren moeten van elk type één bevatten (een heterodimeer). Indien men gelabelde monomeren van slechts één type geeft, zullen slechts weinig cellen het label aan het cytoskeletstelsel toevoegen.
Keratines hebben ook subtypes die uniek zijn voor verschillende epitheelcellen (blaas, huid, enz.) of zelfs verschillende subsets van één celtype (zoals basale epidermale cellen). Dit is nuttig bij het opsporen van de oorsprong van cellen in een tumor, vooral cellen die zijn uitgezaaid.
In epithelia vormen keratinen intermediaire filamenten knooppunten die cellen bij elkaar houden (desmosomen), of cellen aan een matrix vastmaken (hemidesmosomen). In spiercellen zijn de tussenliggende filamenten die het desmosoom vormen “desmins”.
Desmosomen: Twee plaques op aangrenzende cellen (die desmoplakine en andere eiwitten bevatten) zijn met elkaar verbonden door cadherinemoleculen. Deze moleculen zijn met elkaar verbonden door calcium. De intermediaire filamenten lopen in de plaques en spreiden zich uit in het cytoplasma. Hierdoor worden twee cellen structureel met elkaar verbonden. Keratinen
De bovenstaande cellen zijn afkomstig van de huid en de cellen zien eruit alsof ze geprojecteerde stekels hebben die stekels van aangrenzende cellen raken. In werkelijkheid zijn dit plaatsen van desmosoomverbinding die een vitale verbinding in de huid is. Door de fixatietechniek zijn de cellen gekrompen, waardoor de verbindingsplaatsen zichtbaar zijn gebleven. Links is een elektronenmicrofoto te zien van een desmosoom.
Patiënten die antilichamen tegen cadherinemoleculen maken, hebben zwakke of afwezige desmosomen en de huid vormt blaasjes. Deze met vloeistof gevulde gebieden zullen liggen in de gebieden waar de cellen met stekels worden gevonden.
Hemidesmosomen: Zijn plaatsen van verbindingen aan de basis van een epitheliale cel met de matrix. De cartoon hieronder toont de componenten. Intermediaire filamenten zitten vast in een plaque (zoals de desmosoomplaque) en Integrinemoleculen (receptoren voor matrixeiwitten) helpen de plaats met de matrix te verbinden.
‘
Type III Intermediaire Filamenten
Voorkomen in een verscheidenheid van celtypen. Elk is uniek voor dat celtype en wordt gebruikt om weefsel te identificeren dat dat celtype bevat. Vimentine wordt aangetroffen in cellen die van het mesoderm zijn afgeleid: fibroblasten, endotheelcellen, witte bloedcellen;
Desmine wordt aangetroffen in spiercellen, verbindt Z-schijven en kan het centrum van contractiele eenheden verbinden. Het verbindt ook desmosomen in gespecialiseerde knooppunten (hartspier).
Glial fibrillary acidic protein wordt aangetroffen in gliacellen in het centrale zenuwstelsel.
Type IV Intermediaire filamenten
Inclusief neurofilament L, M, of H (genoemd naar laag, gemiddeld of hoog moleculair gewicht. Deze neurofilamenten zijn door plectinekruisbruggen met elkaar en met microtubuli verbonden. Dit draagt bij aan de sterkte en de afstand.
Neurofilament-eiwitten vergroten de diameter van het axon en beïnvloeden daardoor de functie ervan (grotere axonen geleiden sneller).
Voor meer informatie, neem contact op met:
Gwen Childs, Ph.D.,FAAA
Professor en voorzitter
Departement Neurobiologie en Ontwikkelingswetenschappen
Universiteit van Arkansas voor Medische Wetenschappen
Little Rock, AR 72205
Voor vragen, neem contact op met dit emailadres: