Промежуточные филаменты цитоскелета: структура и функции.

Введение

Структура цитоскелета

Промежуточные филаменты (IF) – это структурные компоненты цитоскелета, обнаруженные в клетках позвоночных и многих беспозвоночных. Гомологи белка IF были выявлены у беспозвоночного – цефалохордата Бранхиостома. Промежуточные филаменты состоят из семейства родственных белков, обладающих общими структурными и последовательными характеристиками. Изначально они были названы «промежуточными», поскольку их средний диаметр (10 нм) находится между диаметром более тонких микрофиламентов (актина) и более широких миозиновых филаментов, встречающихся в мышечных клетках. Однако в настоящее время диаметр промежуточных филаментов чаще сравнивают с диаметром актиновых микрофиламентов (7 нм) и микротрубочек (25 нм). Животные промежуточные филаменты подразделяются на шесть типов на основе сходства в аминокислотной последовательности и структуре белка. Большинство типов локализуются в цитоплазме, но один тип, тип V, представляет собой ядерный ламин. В отличие от микротрубочек, распределение IF в клетках не имеет четкой корреляции с распределением митохондрий или эндоплазматической сети.

Структура

Структура белков, формирующих промежуточные филаменты (IF), была впервые предсказана путем компьютерного анализа аминокислотной последовательности кератина эпидермального человека, полученного из клонированных кДНК. Анализ второй последовательности кератина показал, что два типа кератинов имеют лишь около 30% гомологии аминокислотных последовательностей, но демонстрируют сходные паттерны доменов вторичной структуры. В соответствии с первой моделью, все белки IF, по-видимому, обладают центральным альфа-спиральным стержневым доменом, состоящим из четырех альфа-спиральных сегментов (обозначенных как 1A, 1B, 2A и 2B), разделенных тремя линкерными областями. Центральным строительным блоком промежуточного филамента является пара двух скрученных белков, называемая структурой коиловой катушки. Это название отражает тот факт, что структура каждого белка спиральная, и скрученная пара также представляет собой спиральную структуру. Структурный анализ пары кератинов показал, что два белка, формирующих коиловую катушку, связываются посредством гидрофобных взаимодействий. Заряженные остатки в центральном домене не играют существенной роли в связывании пары в центральной области. Часть процесса сборки включает стадию компактизации, в ходе которой ULF сближаются и приобретают меньший диаметр. Причины этой компактизации недостаточно изучены, и диаметр IF обычно варьируется от 6 до 12 нм. N-концевые и C-концевые участки белков IF представляют собой не-альфа-спиральные области и демонстрируют значительные различия в длине и последовательности между различными семействами IF. N-терминальный «головной домен» связывает ДНК. Головки виментина способны изменять ядерную архитектуру и распределение хроматина, а высвобождение головок протеазой ВИЧ-1 может играть важную роль в цитопатогенезе и канцерогенезе, связанных с ВИЧ-1. Фосфорилирование головного домена может влиять на стабильность филамента. Было показано, что головной домен взаимодействует со стержневым доменом того же белка. C-терминальный «хвостовой домен» демонстрирует значительную вариацию длины между различными белками IF. Антипараллельная ориентация тетрамеров означает, что, в отличие от микротрубочек и микрофиламентов, имеющих плюсовой и минусовой концы, IF лишены полярности и не могут служить основой для клеточной подвижности и внутриклеточного транспорта. Кроме того, в отличие от актина или тубулина, промежуточные филаменты не содержат сайт связывания нуклеозидтрифосфата. Цитоплазматические IF не подвергаются трейдмиллингу, как микротрубочки и актиновые волокна, но являются динамичными.

The structure of proteins that form intermediate filaments (IF) was first predicted by computerized analysis of the amino acid sequence of a human epidermal keratin derived from cloned cDNAs. Analysis of a second keratin sequence revealed that the two types of keratins share only about 30% amino acid sequence homology but share similar patterns of secondary structure domains. As suggested by the first model, all IF proteins appear to have a central alpha helical rod domain that is composed of four alpha helical segments (named as 1A, 1B, 2A and 2B) separated by three linker regions. The central building block of an intermediate filament is a pair of two intertwined proteins that is called a coiled coil structure. This name reflects the fact that the structure of each protein is helical, and the intertwined pair is also a helical structure. Structural analysis of a pair of keratins shows that the two proteins that form the coiled coil bind by hydrophobic interactions. The charged residues in the central domain do not have a major role in the binding of the pair in the central domain. Part of the assembly process includes a compaction step, in which ULF tighten and assume a smaller diameter. The reasons for this compaction are not well understood, and IF are routinely observed to have diameters ranging between 6 and 12 nm. The N terminus and the C terminus of IF proteins are non alpha helical regions and show wide variation in their lengths and sequences across IF families. The N terminal "head domain" binds DNA. Vimentin heads are able to alter nuclear architecture and chromatin distribution, and the liberation of heads by HIV 1 protease may play an important role in HIV 1 associated cytopathogenesis and carcinogenesis. Phosphorylation of the head region can affect filament stability. The head has been shown to interact with the rod domain of the same protein. C terminal "tail domain" shows extreme length variation between different IF proteins. The anti parallel orientation of tetramers means that, unlike microtubules and microfilaments, which have a plus end and a minus end, IFs lack polarity and cannot serve as basis for cell motility and intracellular transport. Also, unlike actin or tubulin, intermediate filaments do not contain a binding site for a nucleoside triphosphate. Cytoplasmic IFs do not undergo treadmilling like microtubules and actin fibers, but are dynamic.

Биомеханические свойства

IF – довольно пластичные белки, которые могут быть растянуты в несколько раз по сравнению с их первоначальной длиной. Ключ к обеспечению такой значительной деформации заключается в их иерархической структуре, которая способствует каскадному включению механизмов деформации при различных степенях напряжения. Впоследствии эти пучки пересекаются в узлах, формируя динамическую сеть, пронизывающую цитоплазму эпителиальных клеток.

Тип III

Существует четыре белка, классифицируемые как белки промежуточных филаментов типа III, которые могут образовывать гомо- или гетерополимерные структуры. Десминные промежуточные филаменты (ИФ) являются структурными компонентами саркомеров в мышечных клетках и соединяют различные клеточные органеллы, такие как десмосомы, с цитоскелетом. Глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP) содержится в астроцитах и других клетках глии. Периферин обнаружен в периферических нейронах. Виментин, наиболее широко распространенный из всех белков промежуточных филаментов, встречается в фибробластах, лейкоцитах и эндотелиальных клетках кровеносных сосудов. Они поддерживают клеточные мембраны, фиксируют некоторые органеллы в цитоплазме и передают сигналы от мембранных рецепторов в ядро.

В других организмах

Белки IF универсальны среди животных в форме ядерного ламина. У гидры имеется дополнительный "нематоцилин", происходящий от ламина. Цитоплазматические IF (типы I-IV) встречаются только у двустороннесимметричных животных (Bilateria); они также возникли в результате дупликации гена, включающей ядерный ламин "типа V". Кроме того, у нескольких других разнообразных типов эукариот есть ламины, что свидетельствует о раннем происхождении белка. Строгого определения "белка промежуточного филамента" не существует, поскольку определение, основанное на размере или форме, не охватывает монофилетическую группу. С включением необычных белков, таких как сеть-образующие бугристые ламины (тип VI), современная классификация смещается к кладе, включающей ядерный ламин и его многочисленных потомков, характеризующихся сходством последовательностей, а также структурой экзонов. Функционально похожие белки, не входящие в эту кладу, такие как кресцентины, альвеолины, тетрины и эпиплазмины, поэтому являются лишь "IF-подобными". Вероятно, они возникли в результате конвергентной эволюции.