Нейронды цитоплазмадағы IV типті аралық жіпшелер

Кіріспе

Нейрофиламенттер (НФ) – нейрондардың цитоплазмасында кездесетін IV типті аралық талшықтар. Олар 10 нм диаметрінде және көптеген микрометр ұзындығындағы ақуыз полимерлері. Микротубулалар (~25 нм) және микрофиламенттер (7 нм) қатар, олар нейрон цитоскелетін құрайды. Олардың негізгі функциясы – аксондарға құрылымдық қолдау көрсету және жүйке өткізу жылдамдығына әсер ететін аксон диаметрін реттеу деп саналады. Нейрофиламенттер құрайтын ақуыздар – аралық талшықтар отбасының мүшелері, олар гендік ұйымдастыру және ақуыз құрылымына сәйкес алты түрге бөлінеді. I және II типтер – эпителийде білінетін кератиндер. III типте виментин, десмин, периферин және глиальды фибрилляциялық қышқылды ақуыз (GFAP) ақуыздары бар. IV тип – нейрофиламенттік ақуыздар NF L, NF M, NF H және α интернексиннен тұрады. V типте ядролық ламинаттар, ал VI типте нестин ақуызы бар. IV типті аралық талшықтар гендерінің барлығында басқа аралық талшықтар гендерінің тізбектерінде кездеспейтін екі ерекше интрон бар, бұл IV типтің бір примитивті геннен шыққан ортақ эволюциялық тегін көрсетеді. Нерв клеткасының цитоплазмасында созылатын кез келген ақуыз жіпшесі нейрофибрил деп аталады. Бұл атау кейбір нейродегенеративті аурулардың нейрофибрилляциялық түйіндерінде қолданылады.

Нейрофиламентті ақуыздар

Нейрофиламенттердің ақуыз құрамы әртүрлі жануарлар тізімінде кең ауқымды болады. Ең көп мәлімет сүтқоректілердің нейрофиламенттері туралы белгілі. Тарихи тұрғыдан, сүтқоректілердің нейрофиламенттері бастапқыда NF L (төмен молекулалық салмағы; NF L), NF M (орта молекулалық салмағы; NF M) және NF H (жоғары молекулалық салмағы; NF H) деп аталатын үш ақуызdan тұрады деп есептелген. Бұл ақуыздар аксональдық тасымалды зерттеулер барысында табылды және олар көбінесе «нейрофиламент триплеті» деп аталады. Дегенмен, қазір нейрофиламенттерде α интернексин ақуызы да бар екені және шеттік жүйке жүйесіндегі нейрофиламенттерде периферин ақуызы да болуы мүмкін екені белгілі. (Бұл периферин 2 ретинада экспрессияланатынынан өзгеше). Осылайша, сүтқоректілердің нейрофиламенттері бес түрлі ақуыздың гетерополимерлері болып табылады: NF L, NF M, NF H, α интернексин және периферин. Бес нейрофиламент ақуызы әртүрлі нерв жасушаларында және дамудың әртүрлі кезеңдерінде әртүрлі комбинацияларда бірігіп құрала алады. Кез келген нерв жасушасындағы нейрофиламенттердің нақты құрамы сол кездегі жасушадағы нейрофиламент ақуыздарының салыстырмалы экспрессия деңгейіне байланысты. Мысалы, NF H экспрессиясы дамушы нейрондарда төмен, ал миелинді аксондарда туғаннан кейін артады. Ересектердің жүйке жүйесінде миелинсіз шағын аксондардағы нейрофиламенттерде периферин көп, ал NF H аз болады, ал миелинді үлкен аксондардағы нейрофиламенттерде NF H көп, ал периферин аз болады. III типті аралық жіпшелік суббөлімшесі виментин дамушы нейрондарда және ересектерде IV типті ақуыздармен, мысалы, желкөз қабығының көлденең нейрондарымен байланыста өте сирек кездесетін бірнеше нейрондарда экспрессияланады. + Адам нейрофиламент суббөлімшелері Ақуыз Аминоқышқылы NCBI Ref Seq Болжамды молекулалық масса Көрінетін молекулалық масса (SDS PAGE) Периферин 470 NP 006253.2 53.7 кДа ~ 56 кДа α Интернексин 499 NP 116116.1 55.4 кДа ~ 66 кДа Нейрофиламент ақуызы L 543 NP 006149.2 61.5 кДа ~ 70 кДа Нейрофиламент ақуызы M 916 NP 005373.2 102.5 кДа ~ 160 кДа Нейрофиламент ақуызы H 1020 NP 066554.2 111.9 кДа ~ 200 кДа Триплет ақуыздары олардың салыстырмалы мөлшеріне (төмен, орташа, жоғары) сәйкес аталады. SDS PAGE әдісімен анықталған әрбір ақуыздың молекулалық массасы амин тізбегінен болжамдалған массадан жоғары. Бұл осы ақуыздардың аномальды электрофоретикалық жылжуына байланысты, және бұл нейрофиламент ақуыздары NF M және NF H үшін зарядталған аминқышқылының жоғары мөлшері және кең ауқымды фосфорилирлеуге байланысты ерекше айқын. Барлық үш нейрофиламент триплет ақуыздарында глютамин қышқылы мен лизин қалдықтарына бай полипептидтік тізбектің ұзақ бөліктері бар, ал NF M және әсіресе NF H сонымен қатар бірнеше тізбектелген серин фосфорилирлеу орындарын қамтиды. Бұл орындардың барлығы дерлік лизин-серин-пролин (KSP) пептидін қамтиды, ал фосфорилирлеу әдетте дендриттік емес, аксоналдық нейрофиламенттерде кездеседі. Адам NF M-де 13 KSP орны бар, ал адам NF H екі аллельден экспрессияланады, олардың бірі 44, ал екіншісі 45 KSP қайталамасын құрайды.

The protein composition of neurofilaments varies widely across different animal phyla. Most is known about mammalian neurofilaments. Historically, mammalian neurofilaments were originally thought to be composed of just three proteins called neurofilament protein NF L (low molecular weight; NF L), NF M (medium molecular weight; NF M) and NF H (high molecular weight; NF H). These proteins were discovered from studies of axonal transport and are often referred to as the "neurofilament triplet". However, it is now clear that neurofilaments also contain the protein α internexin and that neurofilaments in the peripheral nervous system can also contain the protein peripherin. (this is different from peripherin 2 that is expressed in the retina). Thus mammalian neurofilaments are heteropolymers of up to five different proteins: NF L, NF M, NF H, α internexin and peripherin. The five neurofilament proteins can co assemble in different combinations in different nerve cell types and at different stages of development. The precise composition of neurofilaments in any given nerve cell depends on the relative expression levels of the neurofilament proteins in the cell at that time. For example, NF H expression is low in developing neurons and increases postnatally in neurons with myelinated axons. In the adult nervous system neurofilaments in small unmyelinated axons contain more peripherin and less NF H whereas neurofilaments in large myelinated axons contain more NF H and less peripherin. The type III intermediate filament subunit, vimentin, is expressed in developing neurons and a few very unusual neurons in the adult in association with type IV proteins, such as the horizontal neurons of the retina. +Human neurofilament subunit proteinsProteinAmino acidsNCBI Ref SeqPredicted molecular massApparent molecular mass (SDS PAGE)Peripherin470NP 006253.253.7 kDa~56 kDaα Internexin499NP 116116.155.4 kDa~66 kDaNeurofilament protein L543NP 006149.261.5 kDa~70 kDaNeurofilament protein M916NP 005373.2102.5 kDa~160 kDaNeurofilament protein H1020NP 066554.2111.9 kDA~200 kDa
The triplet proteins are named based upon their relative size (low, medium, high). The apparent molecular mass of each protein determined by SDS PAGE is greater than the mass predicted from the amino sequence. This is due to the anomalous electrophoretic migration of these proteins and is particularly extreme for neurofilament proteins NF M and NF H due to their high content of charged amino acids and extensive phosphorylation. All three neurofilament triplet proteins contain long stretches of polypeptide sequence rich in glutamic acid and lysine residues, and NF M and especially NF H also contain multiple tandemly repeated serine phosphorylation sites. These sites almost all contain the peptide lysine serine proline (KSP), and phosphorylation is normally found on axonal and not dendritic neurofilaments. Human NF M has 13 of these KSP sites, while human NF H is expressed from two alleles one of which produces 44 and the other 45 KSP repeats.

Нейрофиламенттер жиынтығы мен құрылымы

Басқа аралық жіпшелі ақуыздар сияқты, нейрофиламент ақуыздары да ортақ орталық альфа-спиральді аймақты бөліседі, ол өз рог тәрізді үшіншілік құрылымының арқасында «таяқ домені» деп аталады және аминотерминалды және карбокситерминалды домендермен шектеледі, олар көбінесе құрылымсыз болады. Екі нейрофиламент ақуызының таяқ домендері димеризацияланып, альфа-спиральді егіз спираль құрайды. Екі димер антипараллельді түрде бірігіп тетрамерді құрайды. Бұл тетрамер нейрофиламенттің негізгі құрылымдық бірлігі (яғни құрылыс блогы) деп саналады. Тетрамерлік құрылымдық бірліктер бір-бірімен қабырғаласып, бірлік ұзындығындағы жіпшелерді құрайды, содан кейін олар пісіп, толыққанды нейрофиламент полимерін құрайды. Алайда, полимердегі осы құрылымдық бірліктердің нақты ұйымдасуы белгісіз, себебі ақуыздық құрамының әртүрлілігі және нейрофиламенттерді немесе нейрофиламент ақуыздарын кристалдау мүмкін болмауы. Құрылымдық модельдер әдетте филаменттің көлденең қимасында сегіз тетрамер (32 нейрофиламент полипептиді) бар екенін болжайды, бірақ сызықтық массалық тығыздықты өлшеу нәтижелері бұл көрсеткіш өзгеруі мүмкін екенін көрсетеді. Нейрофиламент ақуыздарының аминотерминалды домендері көптеген фосфорильдеу орындарын қамтиды және жіпшелер құрастырылу кезіндегі құрылымдық бірліктердің өзара әрекеттесуі үшін маңызды болып көрінеді. Карбокситерминалды домендер альфа-спираль немесе бета-парақтары жоқ, ішкі тәртіпсіз домендер болып көрінеді. Нейрофиламент ақуыздарының әртүрлі өлшемдері негізінен карбокситерминалды домендерінің ұзындығындағы айырмашылықтарға байланысты. Бұл домендер қышқыл және сілтілі аминқышқылдарына бай. NF M және NF H карбокситерминалды домендері ең ұзын және ішекте фосфорилирлеу және гликозильдеу сияқты посттрансляциялық модификацияларға кеңінен ұшырайды. Олар филаменттің негізгі бөлігінен радиалды түрде шығып, жоғары зарядталған және құрылымсыз домендердің тығыз щетка тәрізді жиегін құрайды, бұл бөтелке щеткасындағы қылқаламдарға ұқсас. Бұл энтропиялық түрде жайылған домендер әрбір филаменттің айналасында шеттету аймағын анықтайды, филаменттерді көршілерінен тиімді арақашықтыққа бөледі. Осылайша, карбокситерминалды проекциялар нейрофиламент полимерлерінің кеңістікті толтыру қасиеттерін барынша арттырады. Электрондық микроскопияда бұл домендер көршілес филаменттермен байланысқандай көрінетін «қолдар» деп аталатын проекциялар түрінде көрінеді.

Like other intermediate filament proteins, the neurofilament proteins all share a common central alpha helical region, known as the rod domain because of its rod like tertiary structure, flanked by amino terminal and carboxy terminal domains that are largely unstructured. The rod domains of two neurofilament proteins dimerize to form an alpha helical coiled coil. Two dimers associate in a staggered antiparallel manner to form a tetramer. This tetramer is believed to be the basic subunit (i. e. building block) of the neurofilament. Tetramer subunits associate side to side to form unit length filaments, which then anneal end to end to form the mature neurofilament polymer, but the precise organization of these subunits within the polymer is not known, largely because of the heterogeneous protein composition and the inability to crystallize neurofilaments or neurofilament proteins. Structural models generally assume eight tetramers (32 neurofilament polypeptides) in a filament cross section, but measurements of linear mass density suggest that this can vary. The amino terminal domains of the neurofilament proteins contain numerous phosphorylation sites and appear to be important for subunit interactions during filament assembly. The carboxy terminal domains appear to be intrinsically disordered domains that lack alpha helix or beta sheet. The different sizes of the neurofilament proteins are largely due to differences in the length of the carboxy terminal domains. These domains are rich in acidic and basic amino acid residues. The carboxy terminal domains of NF M and NF H are the longest and are modified extensively by post translational modifications such as phosphorylation and glycosylation in vivo. They project radially from the filament backbone to form a dense brush border of highly charged and unstructured domains analogous to the bristles on a bottle brush. These entropically flailing domains have been proposed to define a zone of exclusion around each filament, effectively spacing the filaments apart from their neighbors. In this way, the carboxy terminal projections maximize the space filling properties of the neurofilament polymers. By electron microscopy, these domains appear as projections called sidearms that appear to contact neighboring filaments.

Нейрофиламенттер қызметі

Нейрофиламенттер омыртқалылардың нейрондарында, әсіресе аксондарда жоғары концентрацияда кездеседі, онда олар аксонның бойлық осі бойымен қатар орналасып, үнемі бір-бірімен жапсарған массив құрайды. Олар аксон диаметрін арттыратын кеңістікті толтырушы құрылымдар ретінде жұмыс істейтіні болжамдалады. Аксон диаметріне олардың үлесі аксондағы нейрофиламенттер саны мен олардың жиылу тығыздығымен анықталады. Аксондағы нейрофиламенттер саны нейрофиламент гендерінің экспрессиясы және аксондағы тасымалдау арқылы аныталатыны есептеледі. Филаменттердің жиылу тығыздығы олардың бүйірлік тармақтарымен анықталады, олар көршілес филаменттер арасындағы арақашықтықты белгілейді. Бүйірлік тармақтардың фосфорилирленуі олардың созылуын арттырады деп есептеледі, көршілес филаменттер арасындағы арақашықтықты еківалентті катиондардың бүйірлік тармақтарға байланысуы арқылы арттырады.

Дамудың бастапқы кезеңдерінде аксондар салыстырмалы түрде аз нейрофиламенттерді қамтитын тар процестер болып табылады. Миелин қабығымен жабылған аксондар көбірек нейрофиламенттерді жинақтайды, бұл олардың диаметрінің кеңеюіне әкеледі. Аксон өсіп, мақсатты жасушамен байланысқаннан кейін, оның диаметрі бес есеге дейін ұлғаюы мүмкін. Бұл нерв жасушасы денесінен экспортталатын нейрофиламенттер санының артуымен және олардың тасымалдану жылдамдығының төмендеуімен байланысты. Жетілген миелин қабығымен жабылған аксондарда нейрофиламенттер цитоплазмалық құрылымдардың ең көп таралған түрі болуы мүмкін және аксонның көлденең қимасының көп бөлігін құрайды. Мысалы, үлкен миелин қабығымен жабылған аксонның бір көлденең қимасында мыңдаған нейрофиламенттер болуы мүмкін.

Нейрофиламенттер тасымалы

Нейрофиламенттер аксондардағы құрылымдық рөлінен өзге, аксональды тасымалдаудың жүк тасушылары болып табылады. Жиналған нейрофиламент полимерлері микротубульдік моторлық ақуыздармен қоздырылатын микротубульдік жолдар арқылы аксон бойымен тасымалданады. Бұл жіпшелер екі бағытта қозғалады, яғни аксон ұшына қарай (антероградты) және жасуша денесіне қарай (ретроградты), бірақ жалпы бағыты антероградты болып табылады. Жіпшелер қысқа мерзім ішінде (секундтар немесе минуттар) 8 мкм/с жылдамдықпен қозғалады, ал орташа жылдамдығы шамамен 1 мкм/с құрайды. Дегенмен, ұзақ мерзім ішіндегі (сағаттар немесе күндер) орташа жылдамдық төмендеуге бейім, себебі қозғалыстар өте сирек болады және ұзақ үзілістермен алмасатын қысқа шабуылдардан тұрады. Осылайша, ұзақ мерзімде нейрофиламенттер аксональды тасымалдаудың баяу компонентімен қозғалады.

Клиникалық және ғылыми-зерттеу қолданбалары

Нейрофиламент ақуыздарына көптеген арнайы антиденелер жасалған және олар коммерциялық түрде қолжетімді. Бұл антиденелер иммунофлуоресценциялық микроскопия немесе иммуногистохимия арқылы жасушалар мен тіндерде нейрофиламент ақуыздарын анықтау үшін қолданылады. Мұндай антиденелер гистологиялық кесінділерде және жасуша мәдениетінде нейрондарды және олардың процестерін анықтау үшін кеңінен пайдаланылады. VI типті аралық жіпшелі ақуыз – Нестин дамитын нейрондар мен глияларда экспрессияланады. Нестин нейрондық шектес жасушалардың маркері саналады және осы ақуыздың болуы нейрогенезді анықтау үшін жиі қолданылады. Даму процесінде бұл ақуыз жоғалады. Нейрофиламент антиденелері диагностикалық нейропатологияда да жиі қолданылады. Бұл антиденелермен бояу нейрондарды (нейрофиламент ақуыздарына оң реакция беретін) глиядан (нейрофиламент ақуыздарына теріс реакция беретін) ажырата алады. Орталық нерв жүйесіне әсер ететін ауруларда аксондардың зақымдануын анықтау үшін нейрофиламент ақуыздарын биомаркер ретінде пайдалануға қызығушылық артып келеді. Нейрондар немесе аксондар дегенерацияланғанда нейрофиламент ақуыздары қанға немесе сұйық миға шығарылады. Сұйық ми мен плазмадағы нейрофиламент ақуыздарына жасалған иммуноанализдер неврологиялық ауруларда аксоналды зақымданудың көрсеткіші ретінде қызмет ете алады. Сондықтан қандағы және сұйық мидағы NF L деңгейі амиотрофиялық бүйірлік склероз, қөптеген склероз және соңғы кезде – Хантингтон ауруын бақылау үшін пайдалы маркерлер болып табылады. Бұрыннан келе жатқан ишемиялық инсульттан кейінгі функционалдық жағдайды болжау үшін де бағаланған. Нейрофиламент аномалиялары бар мутантты егеуқұйрықтардың фенотипі амиотрофиялық бүйірлік склерозға ұқсас. EnCor Biotechnology Inc. және Флорида университетінің бірлескен жұмысы нәтижесінде, ең көп қолданылатын NF L талдауларында қолданылатын NF L антиденелері клеткалық өлімге байланысты протеолиз нәтижесінде пайда болатын NF L-дың бөлінген формаларына ғана ерекше реакция беретіні анықталды.