98475

Промежуточные филаменты: молекулярная организация, ультраструктура и функции

Реферат

Биология и генетика

Промежуточные филаменты ПФ нитевидные структуры из особых белков один из трех основных компонентов цитоскелета клеток эукариот. На разных этапах эмбрионального развития на разных стадиях дифференцировки в разных типах клеток экспрессируются ПФ состоящие из разных белков.

Русский

2015-11-03

225.5 KB

2 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Международный государственный экологический университет

имени А. Д. Сахарова

Факультет экологической медицины

Промежуточные филаменты: молекулярная организация, ультраструктура и функции

Выполнил

студент 4 курса

гр. 92061-1

Колос Евгений

Минск, 2012


СОДЕРЖАНИЕ


СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПФ - промежуточные филаменты

ЭР - эндоплазматический ретикулум

GFAP - кислый глиальный белок

IFAP - ПФ-ассоциированные белки


ВВЕДЕНИЕ

Помимо основных внутриклеточных компонентов некоторые клетки имеют специализированные структуры, реснички или жгутики, которые позволяют им или самим перемещаться, или перемещать окружающую их жидкость. У многоклеточных животных организмов есть специализированные клетки, мышечная работа которых позволяет производить различные движения органов, отдельных его частей или всего организма. В основе всех этих многочисленных двигательных реакций лежат общие молекулярные механизмы. Кроме того, наличие каких-либо двигательных аппаратов должно сочетаться и структурно связываться с существованием опорных, каркасных или скелетных внутриклеточных образований. Поэтому можно говорить об опорно-двигательной системе клеток.

Существует три системы двигательных элементов, которые различаются по химическому составу, ультраструктуре и функциональным свойствам. Это микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты.

В данной работе будет описана молекулярная организация, ультраструктура и функциональные свойства последней группы двигательных элементов.


ГЛАВА 1. ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНОТВ

Промежуточные филаменты (ПФ) — нитевидные структуры из особых белков, один из трех основных компонентов цитоскелета клеток эукариот. ПФ строятся из фибриллярных мономеров [1]. Они называются промежуточными, поскольку их диаметр (8–12 нм) имеет промежуточное значение по сравнению с микротрубочками (25 нм) и актиновыми микрофиламентами (5–8 нм) [2]. Поэтому основная конструкция ПФ напоминает канат, имеющий толщину около 8-12 нм. Они локализуются главным образом в околоядерной зоне и в пучках фибрилл, отходящих к периферии клеток и располагающихся под плазматической мембраной. Встречаются ПФ во всех типах животных клеток, но особенно они обильны в тех клетках, которые подвержены механическим воздействиям: клетки эпидермиса, нервные отростки, гладкие и исчерченные мышечные клетки. В клетках растений ПФ не обнаружены [3].

На разных этапах эмбрионального развития, на разных стадиях дифференцировки, в разных типах клеток экспрессируются ПФ, состоящие из разных белков. В некоторых типах клеток одновременно присутствуют несколько различных ПФ. Всего в геноме человека обнаружено около 70 генов, кодирующих различные белки ПФ, которые образуют одно из самых многочисленных белковых семейств [2].

Исследования in vitro показали очень высокую устойчивость ПФ к механическим нагрузкам. Большое число полипептидов на поперечном сечении филамента, сильные боковые гидрофобные взаимодействия, характерные для белков, содержащих скрученную суперспираль, и электростатические взаимодействия, возникающие при образовании тетрамеров, придают ПФ свойства каната: они легко гнутся, но крайне трудно рвутся. При обработке клетки детергентами, растворами с высокой ионной силой ПФ последними из клеточных структур переходят в раствор, то есть проявляют очень высокую стабильность. ПФ могут собираться in vitro в физиологическом буфере без каких-либо кофакторов после полной денатурации белка в мочевине. Как показали недавние исследования, ПФ проявляют высокую динамичность и подвижность in vivo. Экзогенный виментин, инъецированный в клетку, быстро встраивается в уже сформированные филаменты. Это показывает, что структура ПФ регулируется равновесием между протофиламентами и полимерами и что обмен субъединицами происходит по всей длине филамента.


ГЛАВА 2. БЕЛКИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ

В состав ПФ входит большая группа изобелков. Эти белки, в отличие от глобулярных актина и тубулина, имеют палочковидную форму. Общим свойством всех белков промежуточных филаментов является наличие центрального стержневого домена с высоким содержанием α-спиральных участков. Он очень консервативен по размерам, вторичной структуре и первичной последовательности. Этот стержневой домен имеет около 310 аминокислот (350 для ламинов и белков беспозвоночных) и состоит из 4 α-спиральных участков, соединенных связками. Концевые домены белков ПФ не имеют спиральной структуры. Они сильно различаются по длине и по последовательности аминокислот. Все белки ПФ способны фосфорилироваться. Участки фосфорилирования локализованы на С- и N-концах молекул. Кроме того, белки промежуточных филаментов могут подвергаться другим типам посттрансляционной модификации, а именно, ограниченному протеолизу с помощью высокоспецифичных, активируемых ионами кальция протеаз, гликозилированию, убихитинированию, карбоксиметилированию.

Основываясь на биохимическом, иммунологическом и структурном сходстве, выделяют пять различных типов ПФ.

Наиболее многочисленной и наиболее сложной по составу группой белков ПФ являются кератины, они представлют два типа белков – I и II тип. Кислые кератины относятся к типу I (16 изоформ), а основные – к типу II (13 изоформ). Для сборки кератиновых ПФ необходимы белки обоих типов – они образуют гетерополимеры. Известны эпидермальные кератины, простые эпителиальные кератины и кератины, которые экспрессирутся в волосах, шерсти и ногтях. К белкам ПФ III типа относятся четыре белка: десмин, виментин, переферин и кислый глиальный белок (GFAP). Десмин экспрессируется во всех типах мышечных клеток; виментин обнаружен в фибробластах, лимфоцитах, эндотелиальных клетках и некоторых других мезенхимальных тканях; перферин присутствует, в основном, в периферических нейронах, где он участвует в сборке ПФ вместе с белками IV типа; GFAP экспрессируется в глиальных клетках. В отличие от кератинов белки ПФ III типа могут формировать гомополимеры, однако они могут образовывать и гетерополимеры с другими белками III типа и с белком NF-L. Белки ПФ IV типа экспрессируются, главным образом, в нервных клетках, где они участвуют в радиальном росте аксонов. К ним относится α-интернексин и триплет белков нейрофиламентов: NF-L, NF-M, NF-H. Еще один белок, нестин, впервые обнаруженный в предшественниках нервных клеток, иногда относят к особому типу белков ПФ – VI. Однако исходя из его структурных особенностей, нестин можно отнести к IV типу. Кроме вышеперечисленных белков, которые входят в состав цитоплазматических ПФ, существуют еще два типа, сильно от них отличающихся – это ядерные ламины, образующие V тип, и два белка VI типа, найденные в хрусталике глаза. Пять типов белков ПФ, выделенных на основе гомологии последовательностей, разделяют на три группы, различающихся принципами сборки. К первой группе относят кератины, ко второй – ПФ III и IV типа, а третью группу сборки образуют ламины. Эти три группы могут сосуществовать как 3 независимые системы ПФ внутри одной и той же клетки. Цитоплазматические ПФ могут собираться in vitro в отсутствие вспомогательных белков. Члены первой группы являются облигатными гетерополимерами, то есть для сборки кератиновых филаментов необходимо соединение ПФ I и II типов. Кератины не способны образовывать полимеры с ПФ других типов. Белки ПФ III типа и NF-L, относящиеся ко второй группе сборки, образуют гомополимеры in vitro, однако в клетке они очень часто обнаруживаются в виде сополимеров. Ламины не способны образовывать сополимеры с белками цитоплазматических ПФ [2].


ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ

Субъединицы промежуточных филаментов включают различные типы мономерных белков, которые состоят только из одного вида белка, тогда как другие (например нейрофиламенты) состоят из трёх различных белков.

Вне зависимости от типа клетки белки ПФ представляют собой волокнистые длинные полипептиды с N-концевым головным доменом, C-концевым хвостовым доменом и центральным стержневым доменом. Последний состоит из α-спирального участка, который содержит серию повторений участка из 7 аминокислот. Этот участок отвечает за образование скрученных спиральных димеров между двумя параллельными α-спиралями.

При формировании ПФ два скрученных спиральных димера связываются друг с другом антипараллельно и образуют тетрамер; т.е. N-конец одного димера и С-конец другого ориентированы в одном направлении. Поскольку N-конец и С-конец белков ПФ различаются, а димеры и тетрамеры уложены антипараллельно, филаменты не полярны; скорее идентичны с каждой стороны. Это отличает их от полярной структуры микротрубочек и актиновых филаментов и объясняет, почему ПФ имеют совершенно другие свойства.

Эластичность этих филаментов обеспечивается в частности тем, что димеры каждого тетрамера расположены в шахматном порядке относительно друг друга; это строение позволяет тетрамерам связываться между собой. Когда тетрамеры выравниваются вдоль оси филамента и связываются со свободными концами, образуется зрелый ПФ [4].

Анализ первичной последовательности белков ПФ показал, что, несмотря на большое разнообразие, все они имеют общий план строения (рис. 1). У всех белков ПФ есть центральный α-спиральный домен, который фланкирован неспиральными N-концевым («голова») и C-концевым («хвост») доменами. Концевые домены разных типов ПФ сильно различаются по размерам и первичной аминокислотной последовательности.

Рисунок 1. Схематическое изображение молекул некоторых белков ПФ.

Строение центрального домена, наоборот, чрезвычайно консервативно. Он содержит четыре спиральных сегмента 1А, 1В, 2А, 2В, прерывающихся в трех местах короткими не спиральными участками-линкерами L1, L1-2 и L2, которые часто содержат остатки пролина и глицина. Аминокислотная последовательность α-спиральных участков центрального домена состоит из повторов, представляющих собой гептады вида (abcdefg)n, где положения а и d предпочтительно занимают небольшие гидрофобные остатки – лейцин, изолейцин, метионин и валин. Такой повторяющийся мотив из 7 а.о. характерен для белков, способных к образованию скрученной α- спирали (coiled-coil) или по-другому суперспирали, состоящей из двух α-спиралей. Поверхность α-спирального домена белков ПФ сильно заряжена. Например, у виментина из 310 аминокислот, образующих центральный домен, заряженными являются 116 – 70 кислых и 46 основных аминокислот. Таким образом, на одну субъединицу  виментина приходится избыток отрицательного заряда – 24 кислых аминокислотных остатка. В отличие от центрального домена, «голова» многих белков ПФ заряжена положительно. У виментина в N-концевом домене содержится 12 аргининов, а у ламина B2 – 3. При этом количество положительно заряженных аминокислотных остатков коррелирует с длиной N-концевого домена (у виментина он состоит из 102 остатков, а у ламина В2 – из 25). Даже кислый глиальный белок, с коротким N-концевым доменом из 68 аминокислот, содержит 9 основных остатков. Считают, что положительно заряженные аминокислотные остатки «головы» взаимодействуют с отрицательно заряженными аминокислотами центрального домена. Кроме того, эти заряженные кластеры на поверхности филаментов могут являться потенциальными участками связывания с различными клеточными компонентами.

Центральный домен цитоплазматических ПФ длиной около 45 нм состоит из 310 аминокислот. У ядерных ламинов из-за наличия дополнительных 42 аминокислот в сегменте 1В, центральный домен содержит 356 аминокислотных остатков, и его длина составляет 53 нм. Размеры сегментов, образующих α-спиральный домен ПФ, высоко консервативны: 1А – 35 аминокислот, 1В – 101 аминокислота, 2А – 19 аминокислот и 2В – 115 аминокислот. Оказалось, что у различных по аминокислотной последовательности ПФ есть две области, расположенные на концах α-спирального домена, неизменные по своему составу. Одна из них – участок из 26 a.о., первые две трети сегмента 1А, 8 из которых абсолютно консервативны; другая – участок из 32 остатков на самом конце сегмента 2В, содержащий 13 абсолютно консервативных остатков. С помощью метода поперечных сшивок установлено, что обе эти области участвуют во взаимодействии соседних димеров белков ПФ в зрелых филаментах. Еще одной характерной особенностью строения сегмента 2В является небольшое нарушение гептадной структуры. После 8 полных гептад у всех белков ПФ обнаружена вставка из 4 дополнительных остатков. Это нарушение структуры также важно для сборки ПФ. Линкер L1 сильно варьирует по размеру и последовательности, в то время как последовательность линкера L2 высоко консервативна и состоит из 8 аминокислот у всех пяти типов ПФ. Сильнее всего различаются по длине и аминокислотному составу неспиральные концевые домены белков ПФ – «голова» и «хвост». Например, длина «хвоста» у кератина К19 всего 9 остатков, а длина «хвоста» нестина – 1491 остатков.

Таким образом, все белки ПФ имеют похожий по структуре и размеру центральный домен, несущий суммарный отрицательный заряд, и сильно варьирующие по длине и аминокислотному составу концевые домены, несущие суммарный положительный заряд [2].


ГЛАВА 4. СБОРКА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ

ПФ – это полимеры, которые обладают уникальной способностью к самосборке без участия дополнительных белков и, в отличие от микротрубочек и актиновых микрофиламентов, без дополнительной энергии в виде молекул АТФ или ГТФ. На основе данных о структуре белков ПФ был предсказан возможный механизм их сборки, который затем был в основном подтвержден электронно-микроскопическими наблюдениями, а также с помощью рентгеноструктурного анализа и ЭПР-спектроскопии.

Сборка ПФ происходит в несколько этапов (рис.2). Сначала образуются димеры – центральные домены двух полипептидных цепочек обвиваются друг относительно друга, образуя скрученную спираль с шагом 14 нм. Димеры получаются в результате гидрофобных взаимодействий между аминокислотными остатками, расположенными в положениях а и d гептадных повторов взаимодействующих белковых молекул.

Рисунок 2. Схема, показывающая отдельные этапы самосборки ПФ.

Особую роль в сборке ПФ играют концевые участки центрального домена. Исследования формирования филаментов in vitro показали, что даже точечная замена аминокислоты на N-конце сегмента 1А или на С-конце сегмента 2В приводит к серьезным нарушениям их структуры.

Следующий этап сборки – соединение димеров в более крупные комплексы. В случае цитоплазматических ПФ – это объединение димеров в тетрамеры, что отличает их от ламинов, которые при сборке соединяются по механизму «голова к хвосту» образуя линейные полимеры. В образовании тетрамеров участвуют электростатические взаимодействия чередующихся зон положительных зарядов, избыток которых имеется в N-концевом домене виментина, и отрицательных, преобладающих в центральном домене молекулы. Существует несколько моделей соединения димеров в тетрамеры, предложенных на основе результатов, полученных методом поперечных сшивок (рис. 3).

Рисунок 3. Схема, показывающая три возможных модели образования тетрамеров при сборке ПФ.

Этот метод заключается в образовании ковалентной связи между определенными остатками аминокислот соседних молекул с помощью специальных реагентов, имеющих две реакционных группы, взаимодействующие с этими остатками. Чаще других используются реагенты, которые реагируют с лизином или цистеином. Полученные комплексы выделяют, очищают, расщепляют протеазами и анализируют при помощи хроматографии. Сравнение хроматографических профилей образцов, полученных до и после расщепления сшивок периодатом натрия, позволяет обнаружить несколько возможных вариантов поперечных сшивок между молекулами или внутри одной молекулы. Пики на хроматограммах, которые исчезают после обработки периодатом натрия, соответствуют молекулам, которые образовались в результате поперечных сшивок между разными молекулами или внутри одной молекулы белка. Таким образом, этот метод позволяет обнаружить участки белков, расположенные в непосредственной близости друг от друга, т.е. выяснить взаимное расположение субъединиц в филаментах. Большинство пептидов, полученных в результате протеолитического расщепления виментиновых ПФ, оказались довольно короткими (меньше 10 остатков), так что их аминокислотный состав позволил однозначно определить расположение пептида внутри последовательности виментина. В некоторых случаях, когда обнаруживался только один пептид после обработки периодатом, это означало, что поперечная сшивка образовалась внутри цепи.

Для виментина были найдены 16 уникальных поперечных сшивок, 5 из которых возникают между двумя параллельными цепочками, находящимися «в регистре» и образующими двухцепочечную скрученную гомодимерную молекулу виментина. 11 поперечных сшивок могут быть отнесены к трем возможным моделям межмолекулярного взаимодействия, изображенным на рис. 3. Модель А11 (6 поперечных сшивок) предполагает, что два антипараллельных димера взаимодействуют таким образом, что 1В сегменты их центральных доменов значительно перекрываются. Согласно другой модели, А22 (3 поперечные сшивки), два антипараллельных димера перекрываются в области сегментов 2В. В третьей модели А12 (2 поперечных сшивки) два димера антипараллельны и полностью перекрываются. Существование этих трех типов взаимодействия димерных молекул было подтверждено для кератинов. Для виментина предложена еще и четвертая модель взаимодействия между димерными комплексами в составе филаментов – ACN . Если два тетрамера, образованные согласно моделям А11 и А22, оказываются рядом, то по одному димеру из каждого тетрамера будут взаимодействовать по принципу «голова-хвост». В этом случае 5–10 N-концевых остатков сегмента 1А одного димера будут перекрываться с 5–10 C-концевыми остатками сегмента 2В другого димера. Сходные данные были получены и для структуры десминовых ПФ.

До недавнего времени структурную информацию о сборке ПФ можно было получить, только наблюдая препараты, зафиксированные через определенные промежутки времени, при помощи электронного микроскопа. Позднее для наблюдения за ходом процесса сборки был применен метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (small angle x-ray scattering – SAXS), который используется для исследования макромолекул в растворе. Оказалось, что сборка виментиновых ПФ in vitro происходит с последовательным образованием различных олигомеров, включающих тетрамеры, октамеры единичный протофиламент, состоящий из четырех октамеров. Измерения, проведенные с помощью этого метода, указывают на то, что димеры в тетрамере находятся на расстоянии 3,4 нм друг от друга, в то время как расстояние между скрученными спиралями – 1,5 нм. Возможно, такое разъединение связано с тем, что непосредственный контакт кислых центральных доменов электростатически неблагоприятен. Также оказалось, что соединение димеров в тетрамер в соответствии с моделью А11 происходит во многом благодаря второй половине головного домена (35–70 остатков), т.е. электростатическое притяжение положительно заря женной «головы» и кислого центрального домена, по-видимому, является движущей силой. Конечная субъединица ПФ - протофиламент единичной длины (65 нм) в среднем состоит из четырех октамеров. В поперечном сечении протофиламент единичной длины скорее овальный, чем круглый. Согласн  измерениям, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа, отдельные протофиламенты могут значительно различаться по количеству образующих его виментиновых цепочек. На последнем этапе сборки происходит уплотнение субъединиц филаментов до толщины 10–12 нм. Возможно, этот этап также сопровождается перестройкой внутри филаментов, потому что варианты сборки тетрамеров А22 и А12 обнаруживаются только в зрелых структурах. Существование тетрамеров виментина in vivo уже доказано, а вот вопрос о присутствии других промежуточных компонентов сборки, таких как октамеры или единичные филаменты, требует дальнейших  исследований. Количество протофибрилл (октамеров), приходящихся на поперечный срез ПФ, варьирует от 2 до 6, в зависимости от типа ПФ и условий сборки. Предполагается, что каждая протофибрилла состоит из двух протофиламентов, а каждый протофиламент, в свою очередь, состоит из тетрамеров, соединенных конец к концу. Таким образом, по ширине один филамент может состоять из 24–40 полипептидов (обычно из 2 – 8 тетрамеров). Толщина может меняться не только от одного филамента к другому, но даже в пределах одного филамента [2].

Иначе полимеризуются белки ядерной ламины: они образуют димеры с головками на одном конце и полимеризуются, создавая рыхлую прямоугольную решётку.

Топографически в клетке расположение ПФ повторяет расположение микротрубочек, они как бы идут бок о бок. При разрушении микротрубочек колхицином происходит так называемый коллапс ПФ: они собираются в плотные пучки или кольца вокруг ядра. Восстановление новой сети ПФ начинается от зоны клеточного центра. Это наводит на мысль о том, что центром их полимеризации или нуклеации могут быть центры, общие с микротрубочками [3].


ГЛАВА 5. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ В КЛЕТКЕ

Зрелые ПФ и их предшественники динамичны и подвижны внутри клеток. Сборка, разборка и перемещение ПФ в клетках происходят непрерывно. Образование внутриклеточной сети раз личных типов ПФ в разных типах клеток происходит по-разному. Это может быть связано с тем, что ПФ взаимодействуют с разными типами молекулярных моторов и другими факторами. Субъединицы ПФ и зрелые полимеры находятся в цитоплазме в равновесии, и включение новой субъединицы может происходить в любом месте зрелого филамента. Однако образование сети ПФ начинается около ядра. Перемещаются в клетках не только отдельные субъединицы, но и зрелые фибриллы. Для виментиновых ПФ было показано, что они могут перемещаться в цитоплазме как по направлению к клеточной поверхности, так и по направлению к ядру. Средняя скорость перемещения длинных ПФ составляет 0,2–0,3 мкм/мин, субъединицы ПФ двигаются быстрее (1–2 мкм/сек), в основном вдоль микротрубочек. Большинство из них (65–70%) перемещается к периферии клетки. Способность виментиновых субъединиц двигаться вдоль микротрубочек в разном направлении объясняется их ассоциацией с моторными белками кинезином и динеином. Связывание с кинезином обуславливает движение виментиновых филаментов и их субъединиц к плюс-концу микротрубочек и к поверхности клетки. Движение к минус-концу микротрубочек, к ядру, обусловлено взаимодействием с моторным комплексом, состоящим из динеина и динактина. По-видимому, эти взаимодействия необходимы для формирования и поддержания сети ПФ. Длинные виментиновые ПФ связываются с IFAP, например, с плектином, который образует поперечные связи между отдельными ПФ и другими структурами цитоскелета, тем самым препятствуя их движению. По-видимому, такое взаимодействие необходимо для стабилизации ПФ в особых областях цитоплазмы, подвергающихся механическому стрессу или деформации. В отличие от виментиновых ПФ, состоящих из одного белка, кератиновые ПФ всегда являются гетерополимерами. Поэтому для поддержания стабильной сети кератиновых филаментов необходим баланс между кератинами I и II типа, – избыток кератинов одного из типов приводит к нарушению сети ПФ. Интересно, что в клетках, одновременно экспрессирующих кератин и виментин, длинные кератиновые филаменты двигаются в 3 раза медленнее виментиновых (0,06 мкм/мин), а кератиновые субъединицы в 15 раз медленнее виментиновых субъединиц. Кроме того, транспорт кератиновых субъединиц в основном направлен к ядру (84%). Возможно, причина этих различий заключается в разной способности кератинов и виментина связываться с микротрубочками и моторными белками. Действительно, большая часть кератиновых субъединиц ассоциирована с сетью актиновых микрофиламентов, и динамические свойства кератиновых ПФ обусловлены взаимодействием с миозином. А поскольку миозин перемещается медленнее моторных белков, ассоциированных с микротрубочками, этим, возможно, и объясняются различия в скорости перемещения кератинов и виментина внутри одного типа клеток. Особый интерес представляет формирование системы ПФ в нейронах, называемых нейрофиламентами. Отростки этих клеток могут достигать длины порядка метра. Если бы транс порт ПФ происходил с той же скоростью, что и медленный транспорт других структур цитоскелета (0,3–8 мм/день), то понадобились бы годы, чтобы они могли достичь дистальных областей отростков. Однако субъединицы нейрофиламентов перемещаются вдоль аксона со скоростью, равной 1,8 мкм/сек, так как они транспортируются по микротрубочкам при помощи кинезина и динеина. Правда, движение этих структур прерывается долгими паузами, так что двигаются они только 27% времени, а в зрелых сенсорных аксонах нейрофиламенты находятся в покое около 99% времени [2].


ГЛАВА 6. ФУНКЦИИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ

По сложившимся представлениям, основной функцией ПФ является поддержание клеточной и тканевой целостности, основанной на их механических свойствах и способности к самосборке. Повышенный интерес к их механической роли связан с тем, что известны наследственные заболевания, вызванные нарушениями структуры ПФ в тканях, подверженных механическому стрессу, таких как кожа, мышцы и кровеносные сосуды. Однако ПФ имеются во всех типах клеток, в том числе и не подверженных механическому стрессу, а нарушение их сетей также приводит к патологическим последствиям. Существуют, например, серьезные болезни, связанные с нарушением функций ПФ в нервной системе. Этот факт, а также динамическая природа ПФ и наличие большого количества связанных с ними сигнальных белков, указывает на то, что ПФ не только обеспечивают устойчивость к внешним воздействиям, но также выполняют другие специализированные функции в клетках. Хотя эти функции в различных типах клеток пока недостаточно изучены, уже сейчас видно, как велико их значение. По-видимому, немеханическая функция ПФ связана с их участием во внутриклеточном распределении органелл и белков, а также в транспорте липидов. Функции ПФ обусловлены их взаимодействием с многообразными клеточными компонентами. Так, механическую целостность клеток ПФ обеспечивают, связываясь с другими компонентами цитоскелета – микротрубочками, микрофиламентами и плазматической мембраной, взаимодействие с которой происходит в особых участках прикрепления: в десмосомах и полудесмосомах эпителиальных клеток и в местах фокальных контактов фибробластов. Для взаимодействия с такими органеллами, как митохондрии, аппарат Гольджи, эндосомы и лизосомы ПФ связываются с различными компонентами мембран этих органелл. Это связывание обеспечивается большим семейством белков IFAP, но, по-видимому, может происходить и непосредственно.

6.1. Механические функции

Как показывают электронно-микроскопические исследования, различные структуры цитоскелета связаны между собой и с мембранными органеллами. Различимые на электронных микрофотографиях «мостики» долгое время считались связующими структурами неизвестной природы. Позже выяснилось, что за связь многих клеточных органелл с микротрубочками отвечают молекулярные моторы – кинезины и динеины. Роль кинезина для взаимодействия ПФ с микротрубочками  была продемонстрирована с помощью антител, блокирующих работу этого моторного белка. Оказалось, что радиальное распределение ПФ вдоль микротрубочек осуществляется благодаря кинезин-зависимому транспорту.

Но основную роль во взаимодействии ПФ со многими клеточными компонентами играют IFAP, которые соединяют их и с органеллами, микрофиламентами и микротрубочками, и с межклеточными контактами. Такие белки, как десмоплакин, BPAG1 и плектин относятся к семейству плакинов. Все они содержат очень длинный центральный α-спиральный домен, который обра зует скрученную спираль при образовании димерного комплекса. Центральный домен фланкирован не спиральным N-концевым доменом, который может содержать места связывания с актином и/или места связывания с микротрубочками, и С-концевым доменом, который, помимо участков связывания с ПФ, может содержать различное количество повторяющихся доменов А, В, С, типичных для десмоплакина.

Наиболее хорошо изучен белок плектин, который может соединять три различные цитоскелетные системы и взаимодействовать с различными белками. При помощи электронной микроскопии можно увидеть, что плектин образует боковые отростки, отходящие от ПФ, длиной примерно 200 нм и толщиной 2–3 нм. Способность плектина связываться с ПФ обоими концами навела на мысль, что концы его цепи одинаковы по своим свойствам, и его молекулы являются гомотетрамерами. Количественный анализ комплексов виментин-плектин показал, что на участок ПФ длиной 1мкм приходится 10 молекул плектина. В мышцах плектин колокализуется с десминовыми ПФ около Z-дисков и структур, образующих внутриклеточный миофибриллярный каркас.

6.2. Внутриклеточное распределение органелл

Вплоть до недавнего времени никто не предполагал, что ПФ могут участвовать в мембранном транспорте, однако недавно было показано, что ПФ играют важную роль не только в транспорте мембранных органелл, но и в их функционировании.

6.2.1. Митохондрии и промежуточные филаменты

Одним из наиболее важных для физиологии клеток типом мембранных органелл являются митохондрии. Они располагаются около ПФ в различных типах клеток, и это, по-видимому, играет важную роль. Так оказалось, что у митохондрий в сердечных и скелетных мышцах, лишенных десмина, изменяется морфология и внутри клеточная локализация. Кроме того, в таких митохондриях наблюдается прогрессирующее разрушение матрикса, а сами они собираются в группы около сарколеммы. Все эти изменения приводят к нарушению функций митохондрий: снижается максимальная скорость дыхания, АДФ-стимулируемое потребление кислорода, исчезает креатинкиназа, падает уровень цитохрома с.

6.2.2. Аппарат Гольджи и промежуточные филаменты

Аппарат Гольджи располагается вдоль ПФ около центра организации микротрубочек. Взаимодействие аппарата Гольджи и виментиновых ПФ хорошо изучено, и найдены белки, с помощью которых происходит их связывание. Один из них – форм-имино-трансфераза циклодеаминаза, белок, расщепляющий гистидин. Другой белок аппарата Гольджи - GM130 при разрушении микротрубочек, приводящем к нарушению распределения аппарата Гольджи, также локализуется вдоль виментиновых филаментов. Третий белок, MICAL (molecule interacting with CasL), непосредственно связывает виментин и ГТФазу Rab1, которая является главным участником везикулярного транспорта от эндоплазматического ретикулума к аппарату Гольджи. Таким образом, связь между ПФ и аппаратом Гольджи, изученная на культуре клеток, играет, по-видимому, важную физиологическую роль.

6.2.3. Эндосомы, лизосомы и промежуточные филаменты

Другим примером участия ПФ в функциях мембранных органелл является их роль в транспорте эндосом и лизосом. Установлено, что виментин, периферин и α-интернексин связываются с адаптерным белком АР-3. Белок АР-3 – это гетеротетрамерный адаптерный комплекс, который участвует в транспорте везикул между эндосомальным и лизосомальным компартментами и регулируетпоступление белков в лизосомы и тканеспецифичные органеллы – меланосомы, гематопоэтические гранулы и синаптические везикулы. С ПФ белок АР-3 взаимодействует при помощи специализированного домена субъединиц β3А и β3В, который также необходим для выполнения АР-3 функции, связанной с сортировкой белков, и это единственный его участок, взаимодействующий с виментином. Отсутствие в клетках АР-3 или виментина приводит к появлению одинакового фенотипа, – в обоих случаях нарушается распределение ионов цинка. В фибробластах, лишенных АР-3 или виментина, снижается его уровень. Внутриклеточный цинк в основном локализуется в эндоцитарных везикулах и в эндосомах, а его запасание зависит от тока ионов хлора через их мембраны. Каналы, через которые поступает хлор, регулируют и рН в эндосомах, и запасание в них ионов цинка. Белки, образующие эти каналы, переносятся мембранными везикулами, с которыми связан адаптерный комплекс АР-3. Предполагается, что отсутствие комплекса АР-3 в клетках приводит к нарушению рН внутри эндосом, который определяется транспортом ионов хлора. У клеток, лишенных виментина, содержание цинка в везикулах падает в 40 раз.

Другой груз, за транспорт которого отвечает комплекс АР-3, это молекула LAMP-2 (lysosome associated membrane protein). Она представляет собой резидентый белок эндосом и лизосом, который нужен для их слияния с вакуолями автофагосом, которые образуются из эндоплазматического ретикулума, охватывают органеллу, предназначенную для расщепления, и доставляют ее к лизосомам или эндосомам. Показано, что нарушение сборки ПФ приводит к нарушению образования вакуолей автофагосом, однако механизм их взаимодействия пока не известен. Существует предположение, что совместное действие ПФ и АР-3 связано с транспортом белка LAMP-2. Важно отметить, тем не менее, что локализация эндосом и лизосом от ПФ не зависит.

6.2.4. Ядро и промежуточные филаменты

Одной из важных функций ПФ является локализация ядер. Однако роль ПФ в локализации ядра изучена пока недостаточно. Скорее всего, она заключается в удержании ядра на месте и в привлечении белков, которые могли бы взаимодействовать с остальными компонентами цитоскелета.

6.2.5. Другие функции промежуточных филаментов

К другим известным функциям ПФ можно отнести их участие в под держании липидного состава мембран. Так, в преадипоцитах отсутствие или нарушение структуры виментиновых ПФ вызывало снижение стабильности триглицеридов, а в фибробластах и клетках надпочечников приводило к нарушению метаболизма холестерина. Целый ряд данных указывает на то, что изменения в липидном составе мембран возникают в результате повреждений, происходящих на поздних стадиях эндосомального пути. Оказалось, что с виментиновыми ПФ взаимодействует один из ключевых ферментов холестеринового обмена – оксистеролсвязывающий белок. В клетках, лишенных ПФ, наблюдается повышение синтеза холестерина, и снижение образования из него сложного эфира. Предполагают, что это также связано с нарушениями перехода холестерина в эндосомальные и лизосомальные мембраны. Также замедляется созревание гликосфинголипидов в клетках, лишенных ПФ, потому что затруднен их транспорт из аппарата Гольджи в эндосомальную систему. Нарушения транспорта липидов говорят о том, что, по-видимому, роль взаимодействия транспортных везикул с ПФ чрезвычайно важна. В заключение можно отметить многообразие функций ПФ в клетке. Наряду с другими компонентами цитоскелета они обеспечивают механическую прочность клетки, участвуют в правильном расположении внутриклеточных органелл и ядра и в транспорте белков. Однако некоторые детали и тонкие механизмы этих взаимодействий пока остаются невыясненными, как и роли многих участников [2].


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость более глубокого изучения принципов и механизмов функционирования ПФ в различных типах клеток диктуется, прежде всего тем, что нарушения, связанные с этими структурами цитоскелета являются причиной многих патологических состояний. К настоящему времени установлены мутации генов белков ПФ, лежащих в основе тяжелых наследственных заболеваний. Среди них есть такие, как наследственный буллезный эпидермолиз, связанный с мутациями  кератинов 5 и 14; миопатия и кардиомиопатия, вызванные нарушениями десмина; такие тяжелые неврологические заболевания, как амиотрофический латеральный склероз и болезнь Александра, связанные с мутациями периферина и GFAP, соответственно; болезнь Паркинсона и некоторые другие тяжелые нервные патологии, причиной которых являются нарушения нейрофиламентов. Другим приложением фундаментальных знаний о ПФ явилось успешное использование образующих их белков в качестве маркеров различных злокачественных опухолей. Для многих видов опухолей тип «неправильного» белка ПФ может служить диагностическим маркером. В последнее время в связи с повышенным интересом к проблеме использования стволовых клеток многие исследователи обратили внимание на ПФ как удобный маркер клеточной дифференцировки. Действительно, выяснив, какой белок ПФ экспрессируется в клетках, можно легко и быстро определить их тип. Таким образом, ПФ представляют собой важный компонент цитоскелета, который обладает многими уникальными свойствами и играет важную роль в физиологии клеток.


ЛИТЕРАТУРА

  1.   Wiki-Linki [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://wiki-linki.ru/Page/1580780.
  2.  Виментиновые промежуточные филаменты и их роль во внутриклеточном распределении органелл / А.А. Минин, М.В. Молдавер // Успехи биологической химии. – 2008. – Т. 48, С. 221-252.
  3.  Введение в клеточную биологии. Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. / Ю.С. Ченцов. – М.: ИКЦ «Академкнига», - 2004. – 495 с.
  4.  Фалер Д.М., Шилдс Д. – Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер. с англ. – М.: Издательство БИНОМ, 2006. – 256 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72446. Общая теория статистики 2.05 MB
  Все показатели социально-экономической статистики и методология их исчисления рассматриваются в свете теории и практики применения системы национальных счетов в условиях рыночной экономики. В результате изучения общей теории статистики социально-экономической статистики и статистики финансов...
72447. Правление Ивана I Калиты. Именно при нём начинается возвышение Москвы 28.5 KB
  Тверской князь поддержал это восстание. Этим тут же воспользовался Иван Калита, поехал в Золотую Орду, нажаловался на Тверского князя. Его поставили во главе монгольского отряда для подавления восcтания. Тверь была захвачена и полностью разграблена.
72448. ИСТОРИЯ ПЕДАГОГИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ КАК ОТРАСЛЬ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ 928 KB
  В настоящем пособии на основе ведущих концептуальных подходов к осмыслению историко-педагогического процесса предлагается целостное изложение основных явлений теории и практики образования начиная с рассмотрения предмета истории педагогики и образования и заканчивая...
72449. Послевоенное мирное урегулирование. Начало «холодной войны». Послевоенное мирное урегулирование в Европе 664.5 KB
  В Европе в 1945 г. вся политическая атмосфера была отмечена общим сдвигом влево. Самые широкие и с политической точки зрения активные народные массы, которые в эпоху первого мирового конфликта демонстрировали всевозрастающее отвращение к войне, в это время были вовлечены в борьбу...
72450. Эпоха «великих реформ» в России 753 KB
  «Эпоха Великих реформ», подготовка и проведение, которых растянулись на несколько десятилетий, была временем, когда правительство предприняло одну из наиболее последовательных попыток модернизировать весь уклад жизни огромной империи.
72451. ИСТОРИЯ И ТЕОРИЯ МАССОВЫХ ПРАЗДНИКОВ 1.38 MB
  Изучение истории и теории возникновения и эволюции праздников предполагает исследование как духовных, так и зрелищных составляющих празднично-обрядовой культуры разных народов. Их роль в деле рекреации человека, восстановлении его физических и духовных сил необычайно велика...
72452. ИСТОРИЯ ПСИХОЛОГИИ 606.5 KB
  Конспект лекций курса «История психологии» содержит информацию об основных этапах развития психологии как науки, о базовых идеях и понятиях, их появлении, усложнении и преем-ственности. В курсе освещены вопросы, касающиеся изменения в различные исторические периоды собственно предмета...
72454. ИСТОРИЯ ОТЕЧЕСТВА 498.5 KB
  В середине XVI века население России составило 5 млн. В течение года он опустошал казну истратив 05 млн. Император ограничил привилегии дворян заключил в 1800 году союз с Наполеоном вступил в переговоры с Папой Римским и договорился об объединении Православной и Католической Церквей предписал...