Filamenty pośrednie są ważnymi składnikami systemu cytoszkieletowego komórki. Mogą one stabilizować organelle, takie jak jądro, lub mogą być zaangażowane w wyspecjalizowane połączenia. Od „cienkich filamentów” odróżnia je rozmiar (8-10 nm) oraz fakt, że cienkie filamenty są oczywiście ruchliwe. Jednakże ostatnie dowody wskazują, że Filamenty Pośrednie mogą mieć również właściwości dynamiczne. Zobacz pasek boczny, aby zobaczyć kilka zdjęć.
Filamenty pośrednie są jednym z trzech typów elementów cytoszkieletu. Pozostałe dwa to cienkie filamenty (aktyna) i mikrotubule. Często te trzy elementy współpracują ze sobą, aby zwiększyć zarówno integralność strukturalną, kształt komórki, jak i ruchliwość komórek i organelli. Filamenty pośrednie są stabilne, trwałe. Ich średnica waha się od 8 do 10 nm (rozmiar pośredni w porównaniu z filamentami cienkimi i mikrotubulami). Są widoczne w komórkach, które wytrzymują naprężenia mechaniczne i stanowią najbardziej nierozpuszczalną część komórki. Filamenty pośrednie mogą być zdysocjowane przez mocznik.
Istnieje pięć różnych typów filamentów pośrednich:
- Typ I i II: Keratyna kwaśna i Keratyna zasadowa, odpowiednio. Produkowane przez różne typy komórek nabłonkowych (pęcherz moczowy, skóra, itp.).
- Typ III. Filamenty pośrednie są rozmieszczone w wielu typach komórek, w tym: Wimentyna w fibroblastach, komórkach śródbłonka i leukocytach; desmina w mięśniach; glejowy czynnik fibrylarny w astrocytach i innych typach glia oraz peryferyna we włóknach nerwów obwodowych.
- Typ IV Neurofilament H (ciężki), M (średni) i L (niski). Modyfikatory odnoszą się do masy cząsteczkowej białek NF. Innym typem IV jest „internexin”, a niektóre niestandardowe IV znajdują się we włóknach soczewki oka (filensyna i phakinin).
- Typ V to laminy, które mają jądrową sekwencję sygnałową, więc mogą tworzyć filamentowe wsparcie wewnątrz wewnętrznej błony jądrowej. Laminy są niezbędne do ponownego uformowania otoczki jądrowej po podziale komórki.
Polimeryzacja filamentu pośredniego.
Monomer:
Każdy monomer filamentu pośredniego składa się z domeny pręta alfa-helikalnego, który łączy końcówkę aminową (głowa) i karboksylową (ogon). Poniższy rysunek (16-12 z Alberts et al Biology of the cell, Garland Publishing, N.Y. 1996) pokazuje kilka przykładów monomerów.
Formacja protofilamentu
Pręciki zwijają się wokół innego filamentu jak arope, tworząc dimer. Końcówki N i C każdego filamentu są wyrównane. Niektóre filamenty pośrednie tworzą homodimery; inne tworzą heterodimery.
Te dimery następnie tworzą zataczające się tetramery, które ustawiają się w linii głowa-ogon. Należy zauważyć, że końcówki karboksylowa i aminowa wystają z tego protosilamentu. Ten tetramer jest uważany za podstawową podjednostkę filamentu pośredniego.
Ostateczny filament o długości 10 nm jest spiralnym układem tych tetramerów.
Regulacja montażu lub demontażu filamentów pośrednich.
Większość filamentów pośrednich jest w pełni spolimeryzowana. Istnieją jednak dowody, że nawet te stabilne struktury mają właściwości dynamiczne. W cytoplazmie znajduje się wolny tetramer, jak gdyby była to podstawowa podjednostka do montażu nowych filamentów. Również fosforylacja reszt serynowych na końcach aminowych może spowodować ich demontaż.
Dodać znakowany tetramer do komórki, która produkuje ten typ filamentu pośredniego. Można obserwować, jak tetramer zostaje włączony do systemu cytoszkieletowego, a etykieta jest widoczna w postaci liniowej lub kanciastej. Jeśli dodasz go do komórki, która normalnie nie produkuje tetrameru, to nie będzie on dodawany i układ cytoszkieletowy nie będzie się „świecił”.
Można to przetestować za pomocą metody Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP)
Ta technika wykorzystuje światło lasera UV do wybielenia obszaru etykiety w komórce. Następnie można odmierzać czas do odzyskania etykiety albo po wprowadzeniu nowego materiału, albo poprzez proste przemieszczenie etykiety do struktury. W przypadku filamentów pośrednich, FRAP pozwala na wykrycie wbudowania znakowanych tetramerów do wybielonego miejsca w cytoszkielecie. Można porównywać czasy wbudowywania się różnych typów tetramerów do różnych typów filamentów pośrednich. Można również obserwować ruchliwość tych struktur. Praca, która będzie czytana na tym wykładzie, pokazuje przykłady obu tych rodzajów testów. W komórce poniżej, po fotobieleniu laserowym tworzy się ciemna plama. Plama jest mniejsza po 30 min i prawie nie występuje po 2 h.
Białka związane z filamentami pośrednimi
Białka związane z filamentami pośrednimi mogą wiązać filamenty w połączeniach krzyżowych (w celu poprawy stabilności) lub mogą wiązać filamenty z innymi strukturami. Niektóre przykłady są widoczne poniżej.
- Plektyna: łączy się krzyżowo z mikrotubulami
- Lamin receptor B: wiąże się z wewnętrzną błoną jądrową
- Ankyryna: wiąże aktynę z filamentami pośrednimi u podstawy komórki
- Desmoplakina: wiąże filamenty pośrednie w miejscu desmosomu
Typy filamentów pośrednich
Laminy
W ewolucji laminy były prawdopodobnie pierwszymi wytworzonymi filamentami pośrednimi.Mają one bardzo długą domenę pręcikową i niosą sygnał transportu jądrowego, ponieważ znajdują się w jądrze tuż pod otoczką jądrową. Są one ciągłe, z wyjątkiem przerwy w miejscu występowania kompleksu porów jądrowych.
Powyżej pokazano, że tworzą one układ przypominający kratę (z Albertset al, Garland Press, NY). Rysunek po lewej stronie jest mikrografem elektronowym obszaru zawierającego laminy, tuż wewnątrz otoczki jądrowej. Są one trudne do odróżnienia od pobliskiej gęstej heterochromatyny.
Laminy ulegają fosforylacji pod koniec profazy, co powoduje ich rozpad w miarę rozpadu otoczki jądrowej. Następnie fosforan jest usuwany tuż przed utworzeniem jądra komórki potomnej, a filamenty lamin ponownie gromadzą się wokół każdego zestawu chomosomów, pod wewnętrzną błoną jądrową każdej komórki potomnej. Można zablokować ten proces, dodając przeciwciała do lamin, zanim powstaną błony jądrowe.
Wyspecjalizowane połączenia
Filamenty pośrednie typu I i II to odpowiednio kwaśne i zasadowe keratyny. Ich monomery znajdują się w tych samych komórkach, a dimery muszą zawierać po jednym z każdego typu (heterodimer). Jeśli podamy znakowane monomery tylko jednego typu, niewiele komórek doda znak do układu cytoszkieletowego. Jeśli jednak poda się monomery obu typów, układy cytoszkieletowe keratyny będą silnie znakowane.
Keratyny mają również podtypy, które są unikalne dla różnych komórek nabłonkowych (pęcherza, skóry, itp.) lub nawet różnych podzbiorów jednego typu komórek (jak komórki naskórka podstawnego). Jest to przydatne w wykrywaniu pochodzenia komórek w nowotworze, zwłaszcza komórek, które dały przerzuty.
W nabłonku, filamenty pośrednie keratyny tworzą połączenia, które trzymają komórki razem (desmosomy), lub przyczepiają komórki do macierzy (hemidesmosomy). W komórkach mięśniowych filamenty pośrednie, które tworzą desmosomy, to „desminy”.
Desmosomy: Dwie blaszki na sąsiadujących komórkach (zawierające desmoplakinę i inne białka) połączone są cząsteczkami kadheryn. Cząsteczki te są połączone przez wapń. Filamenty pośrednie zapętlają się w blaszkach i rozprzestrzeniają się w cytoplazmie. W ten sposób dwie komórki łączą się strukturalnie. Keratyny
Powyższe komórki pochodzą ze skóry i wyglądają tak, jakby miały wystające kolce, które dotykają kolców z sąsiednich komórek. W rzeczywistości są to miejsca połączenia desmosomów, które są ważnym węzłem w skórze. Technika utrwalania spowodowała, że komórki skurczyły się, pozostawiając widoczne miejsca połączeń. Mikrograf elektronowy przedstawiający desmosom widoczny jest po lewej stronie. Filamenty pośrednie zapętlają się w sposób prawie równoległy.
Pacjenci, którzy wytwarzają przeciwciała przeciwko cząsteczkom kadheryny, będą mieli słabe lub nieobecne desmosomy, a skóra będzie tworzyć pęcherze. Te wypełnione płynem obszary będą leżeć w regionach, w których znajdują się komórki z kolcami.
Hemidesmosomy: Są miejscami połączeń u podstawy komórki nabłonkowej z macierzą. Poniższy rysunek przedstawia ich elementy składowe. Filamenty pośrednie tkwią w płytce (jak płytka desmosomu), a cząsteczki integryn (receptory dla białek macierzy) pomagają połączyć to miejsce z macierzą.
'
Filamenty pośrednie typu III
Znajdują się w różnych typach komórek. Każdy z nich jest unikalny dla danego typu komórek i używany do identyfikacji tkanki zawierającej ten typ komórek. Wimentyna występuje w komórkach pochodzących z mezodermy: fibroblastach, komórkach śródbłonka, białych krwinkach;
Desmina występuje w komórkach mięśniowych, łącząc tarcze Z i może łączyć centrum jednostek kurczliwych. Występuje również w połączeniach z desmosomami w wyspecjalizowanych połączeniach (mięsień sercowy).
Białko glejowe fibrylarne znajduje się w komórkach glejowych w ośrodkowym układzie nerwowym.
Typ IV Filamenty pośrednie
Zawierają neurofilamenty L, M lub H (nazwane tak ze względu na niską, średnią lub wysoką masę cząsteczkową. Te neurofilamenty są połączone mostkami poprzecznymi plektyny ze sobą i z mikrotubulami. To zwiększa wytrzymałość i odstępy między nimi.
Białka neurofilamentów zwiększają średnicę aksonu, a tym samym wpływają na jego funkcję (większe aksony przewodzą szybciej).
W celu uzyskania dalszych informacji, proszę skontaktować się z:
Gwen Childs, Ph.D,FAAA
Profesor i Przewodniczący
Wydział Neurobiologii i Nauk Rozwojowych
University of Arkansas for Medical Sciences
Little Rock, AR 72205
W razie pytań, prosimy o kontakt na adres e-mail: