ZWISCHENFILAMENTE: STRUKTUR, TYPEN, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Zwischenfilamente, in der Literatur auch als "IFs" (der englischen Zwischenfilamente) bekannt, sind eine Familie von faserigen Proteinen. Zytosolisch unlösliche Bestandteile sind in allen Zellen mehrzelliger Eukaryoten vorhanden.

Sie sind Teil des Zytoskeletts, eines intrazellulären filamentösen Netzwerks, das hauptsächlich für die Unterstützung der Zellstruktur und verschiedener metabolischer und physiologischer Prozesse wie Vesikeltransport, Zellbewegung und -verschiebung usw. verantwortlich ist.

Immunfluoreszenzmikroskopie von zwei Proteinen der Zwischenfilamente von Astrozyten (Vimentin und GFAP) (Quelle: GerryShaw via Wikimedia Commons)

Neben Mikrotubuli und Mikrofilamenten sind Zwischenfilamente an der räumlichen Organisation intrazellulärer Organellen, an den Prozessen der Endozytose und Exozytose sowie an den Prozessen der Zellteilung und der interzellulären Kommunikation beteiligt.

Die ersten Zwischenfilamente, die untersucht und beschrieben wurden, waren Keratine, eine der ersten Arten von Proteinen, deren Struktur in den 1930er Jahren durch Röntgenbeugung analysiert wurde.

Das Konzept der Zwischenfilamente wurde jedoch in den 1980er Jahren von Lazarides eingeführt, der sie als komplexe "mechanische Integratoren des Zellraums" beschrieb, die sich durch ihre Unlöslichkeit und ihre Fähigkeit auszeichnen, sich nach Denaturierung in vitro wieder zusammenzusetzen.

Sie werden von vielen Autoren als Stress- "Puffer" -Elemente für tierische Zellen angesehen, da sie flexiblere Filamente sind als Mikrotubuli und Mikrofilamente. Sie kommen nicht nur im Zytoskelett vor, sondern sind auch Teil des Nukleoskeletts.

Im Gegensatz zu den anderen faserigen Komponenten des Zytoskeletts sind die Zwischenfilamente nicht direkt an den Prozessen der Zellmobilität beteiligt, sondern wirken sich auf die strukturelle Aufrechterhaltung und den mechanischen Widerstand der Zellen aus.

Struktur

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

Die Zwischenfilamente haben einen ungefähren Durchmesser von 10 nm, eine strukturelle Eigenschaft, für die sie benannt wurden, da ihre Größe zwischen den Größen liegt, die Myosin- und Actinfilamenten entsprechen, die zwischen 25 und 7 nm liegen. beziehungsweise.

Sie unterscheiden sich strukturell von den beiden anderen Arten von Zytoskelettfilamenten, bei denen es sich um globuläre Proteinpolymere handelt, darin, dass ihre Bestandteile unterschiedliche langwellige α-helikale faserige Proteine ​​sind, die sich zu seilartigen Strukturen zusammenballen.

Alle Proteine, aus denen die Zwischenfilamente bestehen, haben eine ähnliche molekulare Organisation, die aus einer α-Helix- oder "Seil" -Domäne besteht, die unterschiedliche Mengen an "spulenbildenden" Segmenten gleicher Größe aufweist.

Diese helikale Domäne wird von einem N-terminalen nicht helikalen "Kopf" und einem nicht helikalen "Schwanz" am C-terminalen Ende flankiert, die beide sowohl in der Größe als auch in der Aminosäuresequenz variieren.

Innerhalb der Sequenz dieser beiden Enden sind die Konsensusmotive bekannt, die für die 6 bekannten Arten von Zwischenfilamenten gemeinsam sind.

Bei Wirbeltieren beträgt die "Akkord" -Domäne von cytosolischen Intermediärfilamentproteinen etwa 310 Aminosäurereste, während zytosolische Proteine ​​von Wirbellosen und Kernlamina etwa 350 Aminosäuren lang sind.

Versammlung

Zwischenfilamente sind "selbstorganisierende" Strukturen, die keine enzymatische Aktivität besitzen, was sie auch von ihren Gegenstücken im Zytoskelett (Mikrotubuli und Mikrofilamente) unterscheidet.

Diese Strukturen werden zunächst als Tetramere der filamentösen Proteine ​​zusammengesetzt, aus denen sie nur unter dem Einfluss einwertiger Kationen bestehen.

Diese Tetramere sind 62 nm lang und ihre Monomere verbinden sich seitlich miteinander, um Filamente mit Einheitslänge (UFL) zu bilden, die als Phase 1 des Zusammenbaus bekannt sind und sehr schnell auftreten. .

UFLs sind die Vorläufer langer Filamente, und da die Dimere, aus denen sie bestehen, antiparallel und versetzt miteinander verbunden sind, haben diese Einheiten eine zentrale Domäne mit zwei flankierenden Domänen, durch die Phase 2 der Dehnung auftritt. , wo die longitudinale Vereinigung anderer UFLs auftritt.

Während der sogenannten Phase 3 des Zusammenbaus tritt eine radiale Verdichtung des Durchmessers der Filamente auf, wodurch die reifen Zwischenfilamente mit einem Durchmesser von mehr oder weniger 10 nm erzeugt werden.

Eigenschaften

Die Funktionen der Zwischenfilamente hängen erheblich von der Art der betrachteten Zelle ab und bei Tieren (einschließlich Menschen) wird ihre Expression gewebespezifisch reguliert, weshalb sie auch von der Art des Gewebes abhängt als in der Studie.

Epithelien, Muskeln, mesenchymale und Gliazellen sowie Neuronen haben verschiedene Arten von Filamenten, die je nach Funktion der Zellen, zu denen sie gehören, spezialisiert sind.

Unter diesen Funktionen sind die strukturelle Aufrechterhaltung der Zellen und die Beständigkeit gegen unterschiedliche mechanische Beanspruchungen am wichtigsten, da diese Strukturen eine gewisse Elastizität aufweisen, die es ihnen ermöglicht, verschiedene Arten von auf die Zellen ausgeübten Kräften abzufedern.

Arten von Zwischenfilamenten

Die Proteine, aus denen die Zwischenfilamente bestehen, gehören zu einer großen und heterogenen Familie filamentöser Proteine, die sich chemisch unterscheiden, aber nach ihrer Sequenzhomologie (I, II, III, IV, V und VI) in sechs Klassen unterteilt sind.

Obwohl es nicht sehr häufig ist, können verschiedene Zelltypen unter ganz bestimmten Bedingungen (Entwicklung, Zelltransformation, Wachstum usw.) mehr als eine Klasse von intermediären filamentbildenden Proteinen coexprimieren

Zwischenfilamente der Klassen I und II: saure und basische Keratine

Keratine stellen die Mehrheit der Proteine ​​in den Zwischenfilamenten dar und beim Menschen mehr als drei Viertel der Zwischenfilamente.

Sie haben Molekulargewichte, die zwischen 40 und 70 kDa variieren und sich von anderen Intermediärfilamentproteinen durch ihren hohen Gehalt an Glycin- und Serinresten unterscheiden.

Sie sind aufgrund ihrer isoelektrischen Punkte als saure und basische Keratine bekannt, die bei sauren Keratinen zwischen 4,9 und 5,4 und bei basischen zwischen 6,1 und 7,8 liegen.

In diesen beiden Klassen wurden etwa 30 Proteine ​​beschrieben, die insbesondere in Epithelzellen vorhanden sind, in denen beide Arten von Proteinen "co-polymerisieren" und zusammengesetzte Filamente bilden.

Viele der Keratine des Zwischenfilament-Falles I finden sich in Strukturen wie Haaren, Nägeln, Hörnern, Stacheln und Krallen, während diejenigen der Klasse II im Cytosol am häufigsten vorkommen.

Zwischenfilamente der Klasse III: Proteine ​​vom Desmin / Vimentin-Typ

Desmin ist ein saures Protein mit 53 kDa, das je nach Phosphorylierungsgrad unterschiedliche Varianten aufweist.

Einige Autoren haben Desminfilamente auch als "Zwischenmuskelfilamente" bezeichnet, da ihre Anwesenheit, wenn auch in geringen Mengen, auf alle Arten von Muskelzellen beschränkt ist.

In Myofibrillen befindet sich Desmin in der Z-Linie, daher wird angenommen, dass dieses Protein zu den kontraktilen Funktionen der Muskelfasern beiträgt, indem es an der Verbindungsstelle von Myofibrillen und Plasmamembran wirkt.

Foto der Färbung des Proteins Vimentin, eines Proteins der Zwischenfilamente von Epithel- und Embryonalzellen (Quelle: Viktoriia Kosach über Wikimedia Commons)

Vimentin ist wiederum ein Protein, das in mesenchymalen Zellen vorhanden ist. Die von diesem Protein gebildeten Zwischenfilamente sind flexibel und widerstehen vielen Konformationsänderungen, die während des Zellzyklus auftreten.

Es kommt in Fibroblasten, glatten Muskelzellen, weißen Blutkörperchen und anderen Zellen im Kreislaufsystem von Tieren vor.

Zwischenfilamente der Klasse IV: Neurofilamentproteine

Diese Klasse von Zwischenfilamenten, auch als "Neurofilamente" bekannt, umfasst eines der grundlegenden Strukturelemente neuronaler Axone und Dendriten; Sie werden häufig mit den Mikrotubuli assoziiert, aus denen auch diese Strukturen bestehen.

Die Neurofilamente von Wirbeltieren wurden isoliert, wobei festgestellt wurde, dass es sich um ein Triplett von Proteinen mit 200, 150 und 68 kDa handelt, die in vitro an der Assemblierung beteiligt sind.

Sie unterscheiden sich von anderen Zwischenfilamenten dadurch, dass sie seitliche Arme als "Anhänge" haben, die aus ihrer Peripherie herausragen und in der Wechselwirkung zwischen benachbarten Filamenten und anderen Strukturen funktionieren.

Gliazellen produzieren einen speziellen Typ von Zwischenfilamenten, die als Glia-Zwischenfilamente bekannt sind und sich strukturell von Neurofilamenten dadurch unterscheiden, dass sie aus einem einzelnen 51 kDa-Protein bestehen und unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen.

Zwischenfilamentklasse V: Kernschichtfilamente

Alle Schichten, die Teil des Nukleoskeletts sind, sind tatsächlich Zwischenfilamentproteine. Diese haben ein Molekulargewicht zwischen 60 und 75 kDa und befinden sich in den Kernen aller eukaryotischen Zellen.

Sie sind wesentlich für die interne Organisation der Kernregionen und für viele Funktionen dieser Organelle, die für die Existenz von Eukaryoten wesentlich sind.

Zwischenfilamentklasse VI: Nestinas

Diese Art von Zwischenfilament wiegt etwa 200 kDa und kommt überwiegend in Stammzellen des Zentralnervensystems vor. Sie werden während der neuronalen Entwicklung exprimiert.

Verwandte Pathologien

Es gibt mehrere Krankheiten beim Menschen, die mit Zwischenfilamenten zusammenhängen.

Bei einigen Krebsarten, wie beispielsweise malignen Melanomen oder Brustkarzinomen, führt die Koexpression von Zwischenfilamenten von Vimentin und Keratin zur Differenzierung oder gegenseitigen Umwandlung von Epithel- und Mesenchymzellen.

Es wurde experimentell gezeigt, dass dieses Phänomen die wandernde und invasive Aktivität von Krebszellen erhöht, was wichtige Auswirkungen auf die für diesen Zustand charakteristischen metastatischen Prozesse hat.

Eriksson et al. (2009) untersuchen die verschiedenen Arten von Krankheiten und ihre Beziehung zu spezifischen Mutationen in den Genen, die an der Bildung der sechs Arten von Zwischenfilamenten beteiligt sind.

Krankheiten, die mit Mutationen in den Genen zusammenhängen, die die beiden Keratinarten codieren, sind Epidermolysis bullosa, epidermolytische Hyperkeratose, Hornhautdystrophie, Keratodermie und viele andere.

Zwischenfilamente vom Typ III sind an zahlreichen Kardiomyopathien und an verschiedenen Muskelerkrankungen beteiligt, die hauptsächlich mit Dystrophien zusammenhängen. Darüber hinaus sind sie auch für dominante Katarakte und einige Arten von Sklerose verantwortlich.

Viele neurologische Syndrome und Störungen sind mit Typ IV-Filamenten wie Parkinson assoziiert. In gleicher Weise sind genetische Defekte in Filamenten vom Typ V und VI für die Entwicklung verschiedener autosomaler Erkrankungen verantwortlich und hängen mit der Funktion des Zellkerns zusammen.

Beispiele hierfür sind unter anderem das Hutchinson-Gilford-Progerie-Syndrom, die Emery-Dreifuss-Muskeldystrophie.

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