stringtranslate.com

Нейрофиламент

Нейрофиламенты ( NF ) классифицируются как промежуточные филаменты типа IV , обнаруженные в цитоплазме нейронов . Они представляют собой белковые полимеры диаметром 10 нм и длиной во много микрометров. [1] Вместе с микротрубочками (~25 нм) и микрофиламентами (7 нм) они образуют нейрональный цитоскелет . Считается, что их основная функция — обеспечение структурной поддержки аксонов и регулирование диаметра аксонов, что влияет на скорость нервной проводимости . Белки, образующие нейрофиламенты, являются членами семейства белков промежуточных филаментов, которое делится на шесть типов на основе их генной организации и структуры белка. Типы I и II — это кератины , которые экспрессируются в эпителии. Тип III содержит белки виментин , десмин , периферин и глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP). Тип IV состоит из белков нейрофиламентов NF-L, NF-M, NF-H и α-интернексина . Тип V состоит из ядерных ламинов , а тип VI состоит из белка нестина . Гены промежуточных нитей типа IV имеют два уникальных интрона, не обнаруженных в других последовательностях генов промежуточных нитей, что предполагает общее эволюционное происхождение от одного примитивного гена типа IV.

Любая белковая нить, которая простирается в цитоплазме нервной клетки, также называется нейрофибриллой . [2] Это название используется в отношении нейрофибриллярных клубков некоторых нейродегенеративных заболеваний .

Белки нейрофиламентов

Белковый состав нейрофиламентов сильно различается у разных типов животных. Больше всего известно о нейрофиламентах млекопитающих. Исторически считалось, что нейрофиламенты млекопитающих состоят всего из трех белков, называемых нейрофиламентными белками NF-L (низкомолекулярный; NF-L ), NF-M (среднемолекулярный; NF-M ) и NF-H (высокомолекулярный; NF-H ). Эти белки были обнаружены в ходе исследований аксонального транспорта и часто называются «триплетом нейрофиламентов». [3] Однако теперь ясно, что нейрофиламенты также содержат белок α-интернексин [4] и что нейрофиламенты в периферической нервной системе также могут содержать белок периферин. [5] (он отличается от периферина 2 , который экспрессируется в сетчатке ). Таким образом, нейрофиламенты млекопитающих являются гетерополимерами до пяти различных белков: NF-L, NF-M, NF-H, α-интернексина и периферина. Пять белков нейрофиламентов могут собираться в различных комбинациях в различных типах нервных клеток и на разных стадиях развития. Точный состав нейрофиламентов в любой данной нервной клетке зависит от относительных уровней экспрессии белков нейрофиламентов в клетке в это время. Например, экспрессия NF-H низкая в развивающихся нейронах и увеличивается постнатально в нейронах с миелинизированными аксонами. [6] Во взрослой нервной системе нейрофиламенты в небольших немиелинизированных аксонах содержат больше периферина и меньше NF-H, тогда как нейрофиламенты в крупных миелинизированных аксонах содержат больше NF-H и меньше периферина. Субъединица промежуточных филаментов типа III, виментин , экспрессируется в развивающихся нейронах и нескольких очень необычных нейронах взрослого человека в ассоциации с белками типа IV, такими как горизонтальные нейроны сетчатки .

Триплетные белки названы на основе их относительного размера (низкий, средний, высокий). Кажущаяся молекулярная масса каждого белка, определенная с помощью SDS-PAGE, больше массы, предсказанной из аминокислотной последовательности. Это связано с аномальной электрофоретической миграцией этих белков и особенно экстремально для нейрофиламентных белков NF-M и NF-H из-за их высокого содержания заряженных аминокислот и обширного фосфорилирования. Все три нейрофиламентных триплетных белка содержат длинные участки полипептидной последовательности, богатой остатками глутаминовой кислоты и лизина , а NF-M и особенно NF-H также содержат несколько тандемно повторяющихся участков фосфорилирования серина . Почти все эти участки содержат пептид лизин-серин-пролин (KSP), и фосфорилирование обычно обнаруживается на аксональных, а не на дендритных нейрофиламентах. У человеческого NF-M имеется 13 таких участков KSP, в то время как человеческий NF-H экспрессируется из двух аллелей, один из которых производит 44, а другой 45 повторов KSP.

Сборка и структура нейрофиламентов

Клетки мозга крысы, выращенные в культуре ткани и окрашенные в зеленый цвет антителом к ​​субъединице нейрофиламента NF-L, что выявляет большой нейрон. Культура была окрашена в красный цвет на α-интернексин, который в этой культуре обнаружен в нейрональных стволовых клетках, окружающих большой нейрон.
Фиксированный формалином и залитый парафином участок мозжечка человека , окрашенный антителом к ​​нейрофиламентному свету, NF-L выявлен коричневым красителем, ядра клеток выявлены синим красителем. Богатая ядрами область слева — зернистый слой, область справа — молекулярный слой. Антитело связывает отростки корзинчатых клеток, аксоны параллельных волокон, перикарионы клеток Пуркинье и различные другие аксоны.

Как и другие промежуточные филаментные белки, все нейрофиламентные белки имеют общую центральную альфа-спиральную область, известную как стержневой домен из-за ее стержневидной третичной структуры, окруженную аминоконцевыми и карбоксиконцевыми доменами, которые в значительной степени неструктурированы. Стержневые домены двух нейрофиламентных белков димеризуются, образуя альфа-спиральную спиральную спираль . Два димера объединяются в шахматном антипараллельном порядке, образуя тетрамер. Считается, что этот тетрамер является основной субъединицей (т. е. строительным блоком) нейрофиламента. Субъединицы тетрамера объединяются бок о бок, образуя нити единичной длины, которые затем отжигаются конец к концу, образуя зрелый полимер нейрофиламента, но точная организация этих субъединиц внутри полимера неизвестна, в основном из-за гетерогенного состава белка и неспособности кристаллизовать нейрофиламенты или белки нейрофиламента. Структурные модели обычно предполагают наличие восьми тетрамеров (32 полипептидов нейрофиламента) в поперечном сечении нити, но измерения линейной плотности массы показывают, что это может варьироваться.

Аминоконцевые домены белков нейрофиламентов содержат многочисленные сайты фосфорилирования и, по-видимому, важны для взаимодействия субъединиц во время сборки филаментов. Карбоксиконцевые домены, по-видимому, являются внутренне неупорядоченными доменами, в которых отсутствует альфа-спираль или бета-слой. Различные размеры белков нейрофиламентов в значительной степени обусловлены различиями в длине карбоксиконцевых доменов. Эти домены богаты остатками кислых и основных аминокислот. Карбоксиконцевые домены NF-M и NF-H являются самыми длинными и значительно модифицированы посттрансляционными модификациями, такими как фосфорилирование и гликозилирование in vivo. Они радиально выступают из остова филамента, образуя плотную щеточную кайму из высокозаряженных и неструктурированных доменов, аналогичных щетинкам на ершике для мытья бутылок. Было предложено, чтобы эти энтропически вращающиеся домены определяли зону исключения вокруг каждого филамента, эффективно отделяя филаменты от их соседей. Таким образом, карбоксильные концевые выступы максимизируют заполняющие пространство свойства полимеров нейрофиламентов. С помощью электронной микроскопии эти домены выглядят как выступы, называемые боковыми ветвями, которые, по-видимому, контактируют с соседними нитями.

Окрашивание антителами нейрофиламентов (зеленый) и Ki 67 (красный) в эмбрионе мыши через 12,5 дней после оплодотворения . Клетки, экспрессирующие нейрофиламенты, находятся в ганглиях задних корешков , показаны зеленым цветом, тогда как пролиферирующие клетки находятся в желудочковой зоне нервной трубки и окрашены в красный цвет.

Функция нейрофиламентов

Микрофотография белого вещества (внизу изображения) и переднего рога спинного мозга, показывающая двигательные нейроны с центральным хроматолизом . Иммуноокрашивание нейрофиламентов .

Нейрофиламенты встречаются в нейронах позвоночных в особенно высоких концентрациях в аксонах, где они все выстроены параллельно вдоль длинной оси аксона, образуя непрерывно перекрывающийся массив. Было предложено, что они функционируют как заполняющие пространство структуры, которые увеличивают диаметр аксона. Их вклад в диаметр аксона определяется количеством нейрофиламентов в аксоне и плотностью их упаковки. Считается, что количество нейрофиламентов в аксоне определяется экспрессией генов нейрофиламентов [7] и аксональным транспортом. Плотность упаковки филаментов определяется их боковыми ответвлениями, которые определяют расстояние между соседними филаментами. Считается, что фосфорилирование боковых ответвлений увеличивает их растяжимость, увеличивая расстояние между соседними филаментами [8] путем связывания двухвалентных катионов между боковыми ответвлениями соседних филаментов [9] [10]

На ранних стадиях развития аксоны представляют собой узкие отростки, содержащие относительно мало нейрофиламентов. Те аксоны, которые становятся миелинизированными, накапливают больше нейрофиламентов, что приводит к расширению их калибра. После того, как аксон вырос и соединился с целевой клеткой , диаметр аксона может увеличиться в пять раз. [11] Это вызвано увеличением количества нейрофиламентов, экспортируемых из тела нервной клетки, а также замедлением скорости их транспортировки. В зрелых миелинизированных аксонах нейрофиламенты могут быть единственной наиболее распространенной цитоплазматической структурой и могут занимать большую часть площади поперечного сечения аксона. Например, большой миелинизированный аксон может содержать тысячи нейрофиламентов в одном поперечном сечении

Транспорт нейрофиламентов

В дополнение к своей структурной роли в аксонах, нейрофиламенты также являются грузами аксонального транспорта . [3] Большинство белков нейрофиламентов в аксонах синтезируются в теле нервной клетки, где они быстро собираются в полимеры нейрофиламентов в течение примерно 30 минут. [12] Эти собранные полимеры нейрофиламентов транспортируются вдоль аксона по микротрубочковым дорожкам, приводимым в действие моторными белками микротрубочек . [13] Нити движутся двунаправленно, т. е. как к кончику аксона (антероградно), так и к телу клетки (ретроградно), но общее направление — антероградно. Нити движутся со скоростью до 8 мкм/с в короткие временные масштабы (секунды или минуты), со средней скоростью приблизительно 1 мкм/с. [14] Однако средняя скорость в более длительных временных масштабах (часы или дни) низкая, поскольку движения очень редки и состоят из коротких спринтов, прерываемых длительными паузами. [15] [16] Таким образом, в более длительных временных масштабах нейрофиламенты движутся в медленном компоненте аксонального транспорта.

Клинические и исследовательские приложения

Разработаны и коммерчески доступны многочисленные специфические антитела к белкам нейрофиламентов. Эти антитела можно использовать для обнаружения белков нейрофиламентов в клетках и тканях с помощью иммунофлуоресцентной микроскопии или иммуногистохимии . Такие антитела широко используются для идентификации нейронов и их отростков в гистологических срезах и в культуре тканей . Промежуточный филаментный белок типа VI нестин экспрессируется в развивающихся нейронах и глии. Нестин считается маркером нейрональных стволовых клеток, и наличие этого белка широко используется для определения нейрогенеза . Этот белок теряется по мере развития.

Антитела к нейрофиламентам также широко используются в диагностической невропатологии . Окрашивание этими антителами позволяет отличить нейроны (положительные по белкам нейрофиламентов) от глии (отрицательные по белкам нейрофиламентов).

Также существует значительный клинический интерес к использованию белков нейрофиламентов в качестве биомаркеров повреждения аксонов при заболеваниях, поражающих центральную нервную систему. [17] [18] Когда нейроны или аксоны дегенерируют, белки нейрофиламентов высвобождаются в кровь или спинномозговую жидкость. Таким образом, иммуноферментный анализ белков нейрофиламентов в спинномозговой жидкости и плазме может служить индикатором повреждения аксонов при неврологических расстройствах. [19] Поэтому уровни NF-L в крови и спинномозговой жидкости являются полезными маркерами для мониторинга заболеваний при боковом амиотрофическом склерозе , [20] рассеянном склерозе , [21] и, совсем недавно, болезни Хантингтона . [22] Он также был оценен как прогностический маркер функционального исхода после острого ишемического инсульта. [23] Мутантные мыши с аномалиями нейрофиламентов имеют фенотипы, напоминающие боковой амиотрофический склероз . [24] Недавняя работа, выполненная в сотрудничестве между EnCor Biotechnology Inc. и Университетом Флориды, показала, что антитела NF-L, используемые в наиболее широко используемых анализах NF-L, специфичны для расщепленных форм NF-L, образующихся в результате протеолиза, вызванного гибелью клеток. [25]


Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Юань, А; Рао, МВ; Виранна; Никсон, РА (15 июля 2012 г.). «Краткий обзор нейрофиламентов». Journal of Cell Science . 125 (Pt 14): 3257–63. doi :10.1242/jcs.104729. PMC  3516374 . PMID  22956720.
  2. ^ «Определение нейрофибрилл». www.merriam-webster.com . Получено 6 декабря 2019 г. .
  3. ^ ab Hoffman PN, Lasek RJ (август 1975). «Медленный компонент аксонального транспорта. Идентификация основных структурных полипептидов аксона и их общность среди нейронов млекопитающих». Журнал клеточной биологии . 66 (2): 351–66. doi : 10.1083/jcb.66.2.351. PMC 2109569. PMID  49355. 
  4. ^ Юань А, Рао МВ, Сасаки Т, Чен И, Кумар А, Лием РК и др. (сентябрь 2006 г.). «α-интернексин структурно и функционально связан с триплетными белками нейрофиламентов в зрелой ЦНС». Журнал нейронауки . 26 (39): 10006–19. doi :10.1523/jneurosci.2580-06.2006. PMC 6674481. PMID 17005864  . 
  5. ^ Юань А, Сасаки Т, Кумар А, Петерхофф CM, Рао МВ, Лием РК и др. (июнь 2012 г.). «Периферин — субъединица нейрофиламентов периферических нервов: значение для дифференциальной уязвимости аксонов ЦНС и периферической нервной системы». Журнал нейронауки . 32 (25): 8501–8. doi :10.1523/jneurosci.1081-12.2012. PMC 3405552. PMID  22723690 . 
  6. ^ Nixon RA, Shea TB (1992). «Динамика нейрональных промежуточных филаментов: перспектива развития». Подвижность клеток и цитоскелет . 22 (2): 81–91. doi : 10.1002/cm.970220202 . PMID  1633625.
  7. ^ Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Garland Science. 2002. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  8. ^ Eyer J, Leterrier JF (июнь 1988). «Влияние состояния фосфорилирования белков нейрофиламентов на взаимодействия между очищенными филаментами in vitro». The Biochemical Journal . 252 (3): 655–60. doi :10.1042/bj2520655. PMC 1149198. PMID  2844152 . 
  9. ^ Kushkuley J, Chan WK, Lee S, Eyer J, Leterrier JF, Letournel F, Shea TB (октябрь 2009 г.). «Перекрестное образование нейрофиламентов конкурирует с зависимой от кинезина ассоциацией нейрофиламентов с микротрубочками». Journal of Cell Science . 122 (Pt 19): 3579–86. doi :10.1242/jcs.051318. PMID  19737816. S2CID  5883157.
  10. ^ Kushkuley J, Metkar S, Chan WK, Lee S, Shea TB (март 2010 г.). «Алюминий индуцирует агрегацию нейрофиламентов, стабилизируя поперечные связи фосфорилированных С-концевых боковых ответвлений». Brain Research . 1322 : 118–23. doi : 10.1016/j.brainres.2010.01.075. PMID  20132798. S2CID  9615612.
  11. ^ Альбертс, Д. (2015). Молекулярная биология клетки (Шестое изд.). С. 947. ISBN 9780815344643.
  12. ^ Black MM, Keyser P, Sobel E (апрель 1986 г.). «Интервал между синтезом и сборкой цитоскелетных белков в культивируемых нейронах». The Journal of Neuroscience . 6 (4): 1004–12. doi :10.1523/JNEUROSCI.06-04-01004.1986. PMC 6568432. PMID  3084715 . 
  13. ^ Wang L, Ho CL, Sun D, ​​Liem RK, Brown A (март 2000). «Быстрое движение аксональных нейрофиламентов, прерываемое длительными паузами». Nature Cell Biology . 2 (3): 137–41. doi :10.1038/35004008. PMID  10707083. S2CID  41152820.
  14. ^ Fenn JD, Johnson CM, Peng J, Jung P, Brown A (январь 2018 г.). «Анализ кимографа с высоким временным разрешением выявляет новые особенности кинетики транспорта нейрофиламентов». Cytoskeleton . 75 (1): 22–41. doi :10.1002/cm.21411. PMC 6005378 . PMID  28926211. 
  15. ^ Brown A (ноябрь 2000 г.). «Медленный аксональный транспорт: движение с остановками и стартами в аксоне». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 1 (2): 153–6. doi :10.1038/35040102. PMID  11253369. S2CID  205010517.
  16. ^ Brown A, Wang L, Jung P (сентябрь 2005 г.). «Стохастическое моделирование транспорта нейрофиламентов в аксонах: гипотеза «стоп-энд-гоу». Молекулярная биология клетки . 16 (9): 4243–55. doi :10.1091/mbc.E05-02-0141. PMC 1196334. PMID  16000374 . 
  17. ^ Petzold A (июнь 2005 г.). «Нейрофиламентные фосфоформы: суррогатные маркеры аксонального повреждения, дегенерации и потери» (PDF) . Журнал неврологических наук . 233 (1–2): 183–98. doi :10.1016/j.jns.2005.03.015. PMID  15896809. S2CID  18311152.
  18. ^ Khalil M, Teunissen CE, Otto M, Piehl F, Sormani MP, Gattringer T и др. (октябрь 2018 г.). «Нейрофиламенты как биомаркеры неврологических расстройств» (PDF) . Nature Reviews. Неврология . 14 (10): 577–589. doi :10.1038/s41582-018-0058-z. PMID  30171200. S2CID  52140127.
  19. ^ Jonsson M, Zetterberg H, van Straaten E, Lind K, Syversen S, Edman A и др. (март 2010 г.). «Биомаркеры спинномозговой жидкости поражений белого вещества — результаты поперечного анализа исследования LADIS». European Journal of Neurology . 17 (3): 377–82. doi :10.1111/j.1468-1331.2009.02808.x. PMID  19845747. S2CID  31052853.
  20. ^ Rosengren LE, Karlsson JE, Karlsson JO, Persson LI, Wikkelsø C (ноябрь 1996 г.). «У пациентов с боковым амиотрофическим склерозом и другими нейродегенеративными заболеваниями повышен уровень нейрофиламентного белка в спинномозговой жидкости». Journal of Neurochemistry . 67 (5): 2013–8. doi :10.1046/j.1471-4159.1996.67052013.x. PMID  8863508. S2CID  36897027.
  21. ^ Теуниссен CE, Якобеус Э, Хадеми М, Брундин Л, Норгрен Н, Коэль-Зиммелинк MJ и др. (апрель 2009 г.). «Комбинация N-ацетиласпартата спинномозговой жидкости и нейрофиламентов при рассеянном склерозе». Неврология . 72 (15): 1322–9. doi : 10.1212/wnl.0b013e3181a0fe3f. PMID  19365053. S2CID  22681349.,
  22. ^ Niemelä V, Landtblom AM, Blennow K, Sundblom J (27 февраля 2017 г.). «Тау или нейрофиламентный свет — какой биомаркер больше подходит для болезни Хантингтона?». PLOS ONE . 12 (2): e0172762. Bibcode : 2017PLoSO..1272762N. doi : 10.1371/journal.pone.0172762 . PMC 5328385. PMID  28241046 . ,
  23. ^ Лю, Даошэнь; Чэнь, Цзин; Ван, Сюаньин; Синь, Цзялунь; Цао, Жуйли; Лю, Чжижун (июнь 2020 г.). «Сывороточная легкая цепь нейрофиламента как прогностический биомаркер исхода ишемического инсульта: систематический обзор и метаанализ». Журнал инсульта и цереброваскулярных заболеваний . 29 (6): 104813. doi :10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2020.104813. PMID  32305278. S2CID  216029229.
  24. ^ Lalonde R, Strazielle C (2003). «Нейроповеденческие характеристики мышей с измененными генами промежуточных филаментов». Обзоры в Neurosciences . 14 (4): 369–85. doi :10.1515/REVNEURO.2003.14.4.369. PMID  14640321. S2CID  23675224.
  25. ^ Шоу, Джерри; Мадорски, Ирина; Ли, Ин; Ван, Юншэн; Йоргенсен, Марда; Рана, Сабхья; Фуллер, Дэвид Д. (2023-03-02). «Антитела к легким нейрофиламентам типа Уман являются эффективными реагентами для визуализации нейродегенерации». Brain Communications . 5 (2). doi :10.1093/braincomms/fcad067. ISSN  2632-1297. PMC 10120172 . PMID  37091583.