stringtranslate.com

Промежуточная нить

Промежуточные филаменты ( IFs ) представляют собой структурные компоненты цитоскелета , обнаруженные в клетках позвоночных и многих беспозвоночных . [1] [2] [3] Гомологи белка IF были обнаружены у беспозвоночных головохордовых Branchiostoma . [4]

Промежуточные филаменты состоят из семейства родственных белков , имеющих общие особенности структуры и последовательности. Первоначально обозначавшиеся как «промежуточные», поскольку их средний диаметр (10  нм ) находится между диаметрами более узких микрофиламентов (актина) и более широких миозиновых нитей, обнаруженных в мышечных клетках, диаметр промежуточных филаментов теперь обычно сравнивают с актиновыми микрофиламентами (7 нм) и микротрубочками . 25 нм). [1] [5] Промежуточные филаменты животных делятся на шесть типов на основе сходства аминокислотной последовательности и структуры белка . [6] Большинство типов являются цитоплазматическими , но один тип, тип V, представляет собой ядерный ламин . В отличие от микротрубочек, распределение IF в клетках не демонстрирует хорошей корреляции с распределением митохондрий или эндоплазматического ретикулума . [7]

Состав

Структура промежуточной нити

Структура белков, образующих промежуточные филаменты (ПФ), была впервые предсказана с помощью компьютерного анализа аминокислотной последовательности эпидермального кератина человека , полученного из клонированных кДНК . [8] Анализ второй последовательности кератина показал, что два типа кератинов имеют лишь около 30% гомологии аминокислотных последовательностей, но имеют схожие паттерны доменов вторичной структуры. [9] Как предполагает первая модель, все белки IF, по-видимому, имеют центральный домен альфа-спирального стержня, который состоит из четырех альфа-спиральных сегментов (называемых 1A, 1B, 2A и 2B), разделенных тремя линкерными областями. [9] [10]

Центральным строительным блоком промежуточной нити является пара двух переплетенных белков, которая называется спирально-спиральной структурой . Это название отражает тот факт, что структура каждого белка является спиральной, и переплетенная пара также представляет собой спиральную структуру. Структурный анализ пары кератинов показывает, что два белка, образующие спиральную спираль, связываются посредством гидрофобных взаимодействий . [11] [12] Заряженные остатки в центральном домене не играют основной роли в связывании пары в центральном домене. [11]

Цитоплазматические IF собираются в неполярные филаменты единичной длины (ULF). Идентичные ULFs соединяются латерально в расположенные в шахматном порядке антипараллельные растворимые тетрамеры, которые соединяются голова-хвост в протофиламенты, которые соединяются латерально в протофибриллы, четыре из которых скручиваются вместе в промежуточную нить. [13] Часть процесса сборки включает этап уплотнения, на котором ULF затягивается и принимает меньший диаметр. Причины этого уплотнения не совсем понятны, и обычно наблюдается, что IF имеет диаметр от 6 до 12 нм.

N -конец и C-конец белков IF представляют собой неальфа-спиральные области и демонстрируют большие различия в своей длине и последовательностях в разных семействах IF. N-концевой «головной домен» связывает ДНК . [14] Головки виментина способны изменять архитектуру ядра и распределение хроматина , а высвобождение головок под действием протеазы ВИЧ-1 может играть важную роль в цитопатогенезе и канцерогенезе , ассоциированном с ВИЧ-1 . [15] Фосфорилирование головной области может повлиять на стабильность нити. [16] Было показано, что головка взаимодействует со стержневым доменом того же белка . [17]

С-концевой «хвостовой домен» демонстрирует крайние различия в длине между различными белками IF. [18]

Антипараллельная ориентация тетрамеров означает, что в отличие от микротрубочек и микрофиламентов, имеющих плюс-конец и минус-конец, IF лишены полярности и не могут служить основой клеточной подвижности и внутриклеточного транспорта.

Кроме того, в отличие от актина или тубулина , промежуточные филаменты не содержат места связывания нуклеозидтрифосфата .

Цитоплазматические IF не подвергаются беговой дорожке , как микротрубочки и актиновые волокна, а являются динамическими. [19]

Биомеханические свойства

IFs представляют собой довольно деформируемые белки, которые можно растягивать в несколько раз от их первоначальной длины. [20] Ключом к облегчению такой большой деформации является их иерархическая структура, которая способствует каскадной активации механизмов деформации на разных уровнях деформации. [12] Первоначально связанные альфа-спирали нитей единичной длины раскручиваются при растяжении, затем по мере увеличения напряжения они переходят в бета-листы , и, наконец, при увеличении деформации водородные связи между бета-листами скользят и мономеры УНЧ. скользить друг по другу. [12]

Типы

Существует около 70 различных человеческих генов, кодирующих различные белки промежуточных филаментов. Однако разные виды ИФ имеют общие основные характеристики: как правило, все они представляют собой полимеры, диаметр которых в полностью собранном виде составляет 9–11 нм.

Животные IF подразделяются на шесть типов на основе сходства аминокислотной последовательности и структуры белка : [6]

Типы I и II – кислые и основные кератины.

Кератиновые промежуточные нити (окрашены в красный цвет) вокруг эпителиальных клеток.

Эти белки наиболее разнообразны среди ПФ и составляют белки ПФ I типа (кислотного) и II типа (основного) . Многие изоформы разделены на две группы:

Независимо от группы, кератины бывают кислыми или основными. Кислотные и основные кератины связываются друг с другом, образуя кислотно-основные гетеродимеры, которые затем объединяются, образуя кератиновую нить. [6]

Нити цитокератина латерально соединяются друг с другом, образуя толстый пучок радиусом ~ 50 нм. Оптимальный радиус таких пучков определяется взаимодействием дальнего электростатического отталкивания и ближнего гидрофобного притяжения. [21] Впоследствии эти пучки пересекались через соединения, образуя динамическую сеть, охватывающую цитоплазму эпителиальных клеток.

Тип III

Волокна виментина в фибробластах

Существует четыре белка, классифицируемые как белки промежуточных филаментов типа III, которые могут образовывать гомо- или гетерополимерные белки.

Тип IV

Тип V – ядерные ламины

Ламины представляют собой волокнистые белки, выполняющие структурную функцию в ядре клетки.

В клетках многоклеточных животных имеются ламины типа А и В, различающиеся длиной и pI. Клетки человека имеют три дифференциально регулируемых гена. Ламины B-типа присутствуют в каждой клетке. Ламины типа B, ламины B1 и B2 , экспрессируются генами LMNB1 и LMNB2 на 5q23 и 19q13 соответственно. Ламины А-типа экспрессируются только после гаструляции . Ламин А и С являются наиболее распространенными ламинами А-типа и представляют собой сплайсинговые варианты гена LMNA, обнаруженного в 1q21.

Эти белки локализуются в двух областях ядерного компартмента, ядерной пластинке — слое белковой структуры, расположенном ниже внутренней поверхности ядерной оболочки и по всей нуклеоплазме в нуклеоплазматической завесе .

Сравнение ламинов с IF цитоскелета позвоночных показывает, что ламины имеют дополнительные 42 остатка (шесть гептад) внутри катушки 1b. С-концевой хвостовой домен содержит сигнал ядерной локализации (NLS), Ig-фолд-подобный домен и в большинстве случаев карбокси-концевой CaaX-бокс, который изопренилирован и карбоксиметилирован (ламин C не имеет CAAX-бокса). Ламин А подвергается дальнейшей обработке для удаления последних 15 аминокислот и фарнезилированного цистеина.

Во время митоза ламины фосфорилируются с помощью MPF, что приводит к разборке пластинки и ядерной оболочки. [6]

Тип VI

Только для позвоночных. Относится к типу I-IV. Используется для содержания других недавно обнаруженных белков IF, еще не отнесенных к типу. [25]

Функция

Клеточная адгезия

На плазматической мембране некоторые кератины или десмин взаимодействуют с десмосомами (слипание клеток) и гемидесмосомами (слипание клеток с матриксом) через адаптерные белки.

Связанные белки

Филагрин связывается с кератиновыми волокнами в клетках эпидермиса. Плектин связывает виментин с другими волокнами виментина, а также с микрофиламентами, микротрубочками и миозином II. Кинезин исследуется, и предполагается, что он связывает виментин с тубулином через моторные белки.

Кератиновые нити в эпителиальных клетках соединяются с десмосомами (десмосомы соединяют цитоскелет вместе) посредством плакоглобина , десмоплакина , десмоглеинов и десмоколлинов ; Аналогичным образом соединяются нити десмина в клетках сердечной мышцы.

Заболевания, возникающие вследствие мутаций генов IF

В других организмах

Белки IF универсальны среди животных в форме ядерного ламина. У гидры есть дополнительный «нематоцилин», полученный из ламина. Цитоплазматические IF (типы I-IV) встречаются только у Bilateria ; они также возникли в результате дупликации гена с участием ядерного ламина «типа V». Кроме того, некоторые другие разнообразные типы эукариот имеют ламины, что указывает на раннее происхождение белка. [25]

На самом деле не существовало конкретного определения «белка промежуточной нити» в том смысле, что определение, основанное на размере или форме, не охватывает монофилетическую группу . С включением необычных белков, таких как образующие сеть бисерные ламины (тип VI), текущая классификация переходит к кладе, содержащей ядерный ламин и его многочисленные потомки, характеризующиеся сходством последовательностей, а также структурой экзонов. Функционально подобные белки из этой клады, такие как крецентины , альвеолины, тетрины и эпиплазмины, поэтому являются только «IF-подобными». Вероятно, они возникли в результате конвергентной эволюции . [25]

Рекомендации

  1. ^ ab Херрманн Х, Бэр Х, Креплак Л, Стрелков СВ, Эби У (июль 2007 г.). «Промежуточные нити: от клеточной архитектуры к наномеханике». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 8 (7): 562–73. дои : 10.1038/nrm2197. PMID  17551517. S2CID  27115011.
  2. ^ Чанг Л., Goldman RD (август 2004 г.). «Промежуточные филаменты опосредуют цитоскелетные перекрестные помехи». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 5 (8): 601–13. дои : 10.1038/nrm1438. PMID  15366704. S2CID  31835055.
  3. ^ Трауб, П. (2012), Промежуточные нити: обзор, Springer Berlin Heidelberg, стр. 33, ISBN 978-3-642-70230-3
  4. ^ Карабинос А, Ример Д, Эрбер А, Вебер К (октябрь 1998 г.). «Гомологи белков промежуточных филаментов (IF) I, II и III типов позвоночных у беспозвоночных: мультигенное семейство IF головохордовых бранхиостом». Письма ФЭБС . 437 (1–2): 15–8. дои : 10.1016/S0014-5793(98)01190-9 . PMID  9804163. S2CID  7886395.
  5. ^ Исикава Х., Бишофф Р., Хольцер Х. (сентябрь 1968 г.). «Митоз и нити среднего размера в развитии скелетных мышц». Журнал клеточной биологии . 38 (3): 538–55. дои : 10.1083/jcb.38.3.538. ПМК 2108373 . ПМИД  5664223. 
  6. ^ abcdef Севереньи I, Кэссиди AJ, Чунг CW, Ли BT, Common JE, Ogg SC и др. (март 2008 г.). «База данных промежуточных нитей человека: исчерпывающая информация о семействе генов, участвующих во многих заболеваниях человека». Человеческая мутация . 29 (3): 351–360. дои : 10.1002/humu.20652 . PMID  18033728. S2CID  20760837.
  7. ^ Солтыс Б.Дж., Гупта Р.С. (1992). «Взаимоотношения эндоплазматической сети, митохондрий, промежуточных филаментов и микротрубочек - исследование четырехкратного флуоресцентного мечения». Биохимия и клеточная биология . 70 (10–11): 1174–86. дои : 10.1139/o92-163. ПМИД  1363623.
  8. ^ Ханукоглу I, Фукс Э (ноябрь 1982 г.). «Последовательность кДНК эпидермального кератина человека: расхождение последовательности, но сохранение структуры среди белков промежуточных филаментов». Клетка . 31 (1): 243–52. дои : 10.1016/0092-8674(82)90424-X. PMID  6186381. S2CID  35796315.
  9. ^ аб Ханукоглу I, Фукс Э (июль 1983 г.). «Последовательность кДНК кератина цитоскелета типа II обнаруживает постоянные и переменные структурные домены среди кератинов». Клетка . 33 (3): 915–24. дои : 10.1016/0092-8674(83)90034-X. PMID  6191871. S2CID  21490380.
  10. ^ Ли Ч., Ким М.С., Чунг Б.М., Лихи DJ, Куломб, Пенсильвания (июнь 2012 г.). «Структурная основа гетеромерной сборки и перинуклеарной организации кератиновых нитей». Структурная и молекулярная биология природы . 19 (7): 707–15. дои : 10.1038/nsmb.2330. ПМЦ 3864793 . ПМИД  22705788. 
  11. ^ Аб Ханукоглу I, Эзра Л (январь 2014 г.). «Запись в Протеопедии: спиральная структура кератинов». Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 42 (1): 93–4. дои : 10.1002/bmb.20746 . PMID  24265184. S2CID  30720797.
  12. ^ abc Цинь З., Креплак Л., Бюлер М.Дж. (октябрь 2009 г.). «Иерархическая структура контролирует наномеханические свойства промежуточных нитей виментина». ПЛОС ОДИН . 4 (10): е7294. Бибкод : 2009PLoSO...4.7294Q. дои : 10.1371/journal.pone.0007294 . ПМК 2752800 . ПМИД  19806221. 
  13. ^ Лодиш Х., Берк А., Зипурски С.Л. и др. (2000). Молекулярно-клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman. п. Раздел 19.6, Промежуточные нити. ISBN 978-0-07-243940-3.
  14. ^ Ван К., Толстоног Г.В., Шуман Р., Трауб П. (август 2001 г.). «Сайты связывания нуклеиновых кислот в белках субъединиц промежуточных филаментов типов I-IV». Биохимия . 40 (34): 10342–9. дои : 10.1021/bi0108305. ПМИД  11513613.
  15. ^ Шуман Р.Л., Хюттерманн С., Хартиг Р., Трауб П. (январь 2001 г.). «Аминоконцевые полипептиды виментина ответственны за изменения в ядерной архитектуре, связанные с активностью протеазы вируса иммунодефицита человека типа 1 в клетках культуры ткани». Молекулярная биология клетки . 12 (1): 143–54. дои : 10.1091/mbc.12.1.143. ПМК 30574 . ПМИД  11160829. 
  16. ^ Такемура М., Гоми Х., Колуччи-Гийон Э., Итохара С. (август 2002 г.). «Защитная роль фосфорилирования в обмене глиального фибриллярного кислого белка у мышей». Журнал неврологии . 22 (16): 6972–9. doi : 10.1523/JNEUROSCI.22-16-06972.2002. ПМЦ 6757867 . ПМИД  12177195. 
  17. ^ Парри Д.А., Мареков Л.Н., Штайнерт П.М., Смит Т.А. (2002). «Роль сегментов стержневых доменов 1A и L1 в организации головного домена и функции промежуточных филаментов: структурный анализ кератина трихоцитов». Журнал структурной биологии . 137 (1–2): 97–108. дои : 10.1006/jsbi.2002.4437. ПМИД  12064937.
  18. ^ Куинлан Р., Хатчисон С., Лейн Б (1995). «Белки промежуточных филаментов». Белковый профиль . 2 (8): 795–952. ПМИД  8771189.
  19. ^ Хелфанд Б.Т., Чанг Л., Голдман Р.Д. (январь 2004 г.). «Промежуточные филаменты являются динамическими и подвижными элементами клеточной архитектуры». Журнал клеточной науки . 117 (Часть 2): 133–41. дои : 10.1242/jcs.00936 . ПМИД  14676269.
  20. ^ Херрманн Х, Бэр Х, Креплак Л, Стрелков СВ, Эби У (июль 2007 г.). «Промежуточные нити: от клеточной архитектуры к наномеханике». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 8 (7): 562–73. дои : 10.1038/nrm2197. PMID  17551517. S2CID  27115011.Цинь З, Креплак Л., Бюлер М.Дж. (октябрь 2009 г.). «Иерархическая структура контролирует наномеханические свойства промежуточных нитей виментина». ПЛОС ОДИН . 4 (10): е7294. Бибкод : 2009PLoSO...4.7294Q. дои : 10.1371/journal.pone.0007294 . ПМК  2752800 . ПМИД  19806221.Креплак Л., Фадж Д. (январь 2007 г.). «Биомеханические свойства промежуточных нитей: от тканей к одиночным нитям и обратно». Биоэссе . 29 (1): 26–35. дои : 10.1002/bies.20514. PMID  17187357. S2CID  6560740.Цинь З, Бюлер М.Дж., Креплак Л. (январь 2010 г.). «Многомасштабный подход к пониманию механобиологии промежуточных нитей». Журнал биомеханики . 43 (1): 15–22. doi :10.1016/j.jbiomech.2009.09.004. ПМИД  19811783.Цинь З, Креплак Л., Бюлер М.Дж. (октябрь 2009 г.). «Наномеханические свойства димеров промежуточных филаментов виментина». Нанотехнологии . 20 (42): 425101. Бибкод : 2009Nanot..20P5101Q. дои : 10.1088/0957-4484/20/42/425101. PMID  19779230. S2CID  6870454.
  21. ^ Хаимов Э., Виндоффер Р., Леубе Р.Э., Урбах М., Козлов М.М. (июль 2020 г.). «Модель объединения кератиновых промежуточных нитей». Биофизический журнал . 119 (1): 65–74. Бибкод : 2020BpJ...119...65H. дои : 10.1016/j.bpj.2020.05.024 . ПМЦ 7335914 . ПМИД  32533940. 
  22. ^ Бродель А., Гертнер-Роммель А., Милтинг Х. (август 2018 г.). «Молекулярное понимание кардиомиопатий, связанных с мутациями десмина (DES)». Биофизические обзоры . 10 (4): 983–1006. дои : 10.1007/s12551-018-0429-0. ПМК 6082305 . ПМИД  29926427. 
  23. ^ «SYNC - Синкоилин - Homo sapiens (Человек) - Ген и белок SYNC» . www.uniprot.org . Проверено 20 декабря 2021 г.
  24. ^ Бернал А., Арранц Л. (июнь 2018 г.). «Нестин-экспрессирующие клетки-предшественники: функции, идентичность и терапевтические значения». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 75 (12): 2177–2195. doi : 10.1007/s00018-018-2794-z. ПМЦ 5948302 . ПМИД  29541793. 
  25. ^ abc Коллмар М (май 2015 г.). «Полифилия генов ядерного ламина указывает на раннее эукариотическое происхождение белков промежуточных филаментов многоклеточного типа». Научные отчеты . 5 : 10652. Бибкод : 2015NatSR...510652K. дои : 10.1038/srep10652 . ПМЦ 4448529 . ПМИД  26024016. 
  26. ^ Фишер Б., Диттманн С., Бродель А., Унгер А., Столмейер Б., Пол М. и др. (декабрь 2020 г.). «Функциональная характеристика новых патогенных вариантов десмина с альфа-спиральным стержневым доменом (DES), связанных с дилатационной кардиомиопатией, атриовентрикулярной блокадой и риском внезапной сердечной смерти». Международный журнал кардиологии . 329 : 167–174. doi : 10.1016/j.ijcard.2020.12.050. PMID  33373648. S2CID  229719883.
  27. ^ Бермудес-Хименес Ф.Дж., Карриэль В., Бродель А., Аламинос М., Кампос А., Ширмер И. и др. (апрель 2018 г.). «Новая мутация десмина p.Glu401Asp нарушает формирование филаментов, нарушает целостность клеточных мембран и вызывает тяжелую аритмогенную кардиомиопатию / дисплазию левого желудочка». Тираж . 137 (15): 1595–1610. doi : 10.1161/CIRCULATIONAHA.117.028719 . PMID  29212896. S2CID  4715358.
  28. ^ Протонотарий А., Бродель А., Асимаки А., Джагер Дж., Куинн Э., Станасюк С. и др. (декабрь 2020 г.). «Новый вариант десмина p.Leu115Ile связан с уникальной формой бивентрикулярной аритмогенной кардиомиопатии». Канадский журнал кардиологии . 37 (6): 857–866. doi : 10.1016/j.cjca.2020.11.017. PMID  33290826. S2CID  228078648.
  29. ^ Клауке Б., Коссманн С., Гертнер А., Бранд К., Сторк И., Бродель А. и др. (декабрь 2010 г.). «Мутация десмина N116S de novo связана с аритмогенной кардиомиопатией правого желудочка». Молекулярная генетика человека . 19 (23): 4595–607. дои : 10.1093/hmg/ddq387 . ПМИД  20829228.
  30. ^ Бродель А., Хедде П.Н., Дидинг М., Фатима А., Уолхорн В., Гайда С. и др. (май 2012 г.). «Двухцветная фотоактивационная локализационная микроскопия мутантов десмина, связанных с кардиомиопатией». Журнал биологической химии . 287 (19): 16047–57. дои : 10.1074/jbc.M111.313841 . ПМК 3346104 . ПМИД  22403400. 
  31. ^ Бродель А., Пур Хакими С.А., Станасюк С., Ратнавадивель С., Хендиг Д., Гертнер А. и др. (ноябрь 2019 г.). «Рестриктивная кардиомиопатия вызвана новой мутацией гомозиготного десмина (DES) p.Y122H, приводящей к серьезному дефекту сборки филаментов». Гены . 10 (11): 918. doi : 10.3390/genes10110918 . ПМК 6896098 . ПМИД  31718026. 
  32. ^ Клей Р.А., Хелленбройх Ю., ван дер Вен П.Ф., Фюрст Д.О., Хюбнер А., Брюхертсайфер В. и др. (декабрь 2007 г.). «Клинический и морфологический фенотип филаминовой миопатии: исследование 31 немецкого пациента». Мозг: журнал неврологии . 130 (Часть 12): 3250–64. дои : 10.1093/brain/awm271 . ПМИД  18055494.
  33. ^ Марахонов А.В., Бродель А., Мясников Р.П., Спарбер П.А., Киселева А.В., Куликова ОВ и др. (июнь 2019 г.). «Некомпактная кардиомиопатия вызвана новой мутацией делеции десмина (DES) в пределах сегмента спирального стержня 1А, что приводит к серьезному дефекту сборки филаментов». Человеческая мутация . 40 (6): 734–741. дои : 10.1002/humu.23747 . PMID  30908796. S2CID  85515283.
  34. ^ Ширмер И., Дидинг М., Клауке Б., Бродель А., Гертнер-Роммель А., Уолхорн В. и др. (март 2018 г.). «Новая мутация indel десмина (DES) вызывает тяжелую атипичную кардиомиопатию в сочетании с атриовентрикулярной блокадой и скелетной миопатией». Молекулярная генетика и геномная медицина . 6 (2): 288–293. дои : 10.1002/mgg3.358. ПМК 5902401 . ПМИД  29274115. 

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

В Wikimedia Commons есть медиафайлы, связанные с белком промежуточной нити, областью спиральной спирали .
В эту статью включен текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR001322.
В эту статью включен текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR006821.