stringtranslate.com

Промежуточная нить

Промежуточные филаменты ( ПФ ) являются структурными компонентами цитоскелета , обнаруженными в клетках позвоночных и многих беспозвоночных . [1] [2] [3] Гомологи белка ПФ были обнаружены у беспозвоночного, головохордового Branchiostoma . [4]

Промежуточные филаменты состоят из семейства родственных белков , имеющих общие структурные и последовательнсти характеристики. Первоначально обозначенные как «промежуточные», поскольку их средний диаметр (10  нм ) находится между диаметром более узких микрофиламентов (актина) и более широких миозиновых филаментов, обнаруженных в мышечных клетках, диаметр промежуточных филаментов теперь обычно сравнивают с актиновыми микрофиламентами (7 нм) и микротрубочками (25 нм). [1] [5] Животные промежуточные филаменты подразделяются на шесть типов на основе сходства в аминокислотной последовательности и структуре белка . [6] Большинство типов являются цитоплазматическими , но один тип, Тип V, является ядерным ламином . В отличие от микротрубочек, распределение IF в клетках не показывает хорошей корреляции с распределением либо митохондрий , либо эндоплазматического ретикулума . [7]

Структура

Структура промежуточной нити

Структура белков, которые образуют промежуточные филаменты (IF), была впервые предсказана с помощью компьютерного анализа аминокислотной последовательности человеческого эпидермального кератина, полученного из клонированных кДНК . [8] Анализ второй последовательности кератина показал, что два типа кератинов разделяют только около 30% гомологии аминокислотной последовательности, но разделяют схожие образцы доменов вторичной структуры. [9] Как и предполагалось в первой модели, все белки IF, по-видимому, имеют центральный альфа-спиральный стержневой домен, который состоит из четырех альфа-спиральных сегментов (названных как 1A, 1B, 2A и 2B), разделенных тремя линкерными областями. [9] [10]

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

Цитоплазматические IF собираются в неполярные единичные филаменты (ULF). Идентичные ULF связываются латерально в ступенчатые, антипараллельные , растворимые тетрамеры, которые связываются голова к хвосту в протофиламенты, которые спариваются латерально в протофибриллы, четыре из которых скручиваются вместе в промежуточную нить. [13] Часть процесса сборки включает этап уплотнения, на котором ULF сжимаются и принимают меньший диаметр. Причины этого уплотнения не совсем понятны, и IF обычно наблюдаются с диаметром в диапазоне от 6 до 12 нм.

N -конец и C-конец белков IF являются неальфа-спиральными областями и демонстрируют широкую вариацию в их длине и последовательностях в разных семействах IF. N-концевой «головной домен» связывает ДНК . [14] Головки виментина способны изменять ядерную архитектуру и распределение хроматина , а освобождение головок протеазой ВИЧ-1 может играть важную роль в цитопатогенезе и канцерогенезе , связанных с ВИЧ-1 . [15] Фосфорилирование области головки может влиять на стабильность филамента. [16] Было показано, что головка взаимодействует со стержневым доменом того же белка . [17]

С-концевой «хвостовой домен» демонстрирует экстремальные вариации длины между различными белками IF. [18]

Антипараллельная ориентация тетрамеров означает, что в отличие от микротрубочек и микрофиламентов, имеющих плюс-конец и минус-конец, МФ не имеют полярности и не могут служить основой для подвижности клеток и внутриклеточного транспорта.

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

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

Биомеханические свойства

IFs — это довольно деформируемые белки, которые могут растягиваться в несколько раз по сравнению с их первоначальной длиной. [20] Ключ к облегчению этой большой деформации заключается в их иерархической структуре, которая облегчает каскадную активацию механизмов деформации на разных уровнях деформации. [12] Первоначально связанные альфа-спирали нитей единичной длины раскручиваются по мере их деформации, затем по мере увеличения деформации они переходят в бета-слои , и, наконец, при увеличении деформации водородные связи между бета-слоями скользят, и мономеры ULF скользят друг вдоль друга. [12]

Типы

Существует около 70 различных человеческих генов, кодирующих различные белки промежуточных филаментов. Однако различные виды IFs имеют общие основные характеристики: в целом, все они представляют собой полимеры, которые имеют диаметр от 9 до 11 нм в полностью собранном виде.

Животные ИФ 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 являются наиболее разнообразными среди IF и составляют белки IF типа I (кислые) и типа II (основные) . Многочисленные изоформы делятся на две группы:

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

Цитокератиновые нити латерально связываются друг с другом, образуя толстый пучок радиусом ~50 нм. Оптимальный радиус таких пучков определяется взаимодействием между электростатическим отталкиванием на большом расстоянии и гидрофобным притяжением на малом расстоянии. [21] Впоследствии эти пучки будут пересекаться через соединения, образуя динамическую сеть, охватывающую цитоплазму эпителиальных клеток.

Тип 3

Волокна виментина в фибробластах

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

Тип IV

Тип V – ядерные ламины

Ламины — это фибриллярные белки, выполняющие структурную функцию в ядре клетки.

В клетках метазоа существуют ламины типа A и B, которые различаются по длине и pI. В клетках человека есть три дифференциально регулируемых гена. Ламины типа B присутствуют в каждой клетке. Ламины типа B, ламин B1 и B2 , экспрессируются генами LMNB1 и LMNB2 на 5q23 и 19q13 соответственно. Ламины типа A экспрессируются только после гаструляции . Ламин A и C являются наиболее распространенными ламинами типа A и представляют собой варианты сплайсинга гена LMNA, обнаруженного на 1q21.

Эти белки локализуются в двух областях ядерного компартмента: ядерной пластинке — слое белковой структуры, расположенном под внутренней поверхностью ядерной оболочки , и по всей нуклеоплазме в нуклеоплазматической вуали .

Сравнение ламинов с цитоскелетными IF позвоночных показывает, что ламины имеют дополнительные 42 остатка (шесть гептад) в пределах спирали 1b. С-концевой хвостовой домен содержит сигнал ядерной локализации (NLS), домен, подобный Ig-fold, и в большинстве случаев карбокси-концевой CaaX-бокс, который изопренилирован и карбоксиметилирован (ламин C не имеет CAAX-бокса). Ламин A далее обрабатывается для удаления последних 15 аминокислот и его фарнезилированного цистеина.

Во время митоза ламины фосфорилируются MPF, что приводит к разборке ламины 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

Адгезия клеток

На плазматической мембране некоторые кератины или десмин взаимодействуют с десмосомами (межклеточная адгезия) и гемидесмосомами (адгезия клетка-матрикс) через адаптерные белки.

Ассоциированные белки

Филагрин связывается с кератиновыми волокнами в эпидермальных клетках. Плектин связывает виментин с другими волокнами виментина, а также с микрофиламентами, микротрубочками и миозином II. Кинезин исследуется и, как предполагается, связывает виментин с тубулином через двигательные белки.

Кератиновые нити в эпителиальных клетках связаны с десмосомами (десмосомы соединяют цитоскелет) через плакоглобина , десмоплакин , десмоглеины и десмоколлины ; десминовые нити связаны аналогичным образом в клетках сердечной мышцы.

Заболевания, возникающие в результате мутаций в генах IF

В других организмах

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

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

Ссылки

  1. ^ ab Herrmann H, Bär H, Kreplak L, Strelkov SV, Aebi U (июль 2007 г.). «Промежуточные филаменты: от архитектуры клеток до наномеханики». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 8 (7): 562–73. doi :10.1038/nrm2197. PMID  17551517. S2CID  27115011.
  2. ^ Chang L, Goldman RD (август 2004). «Промежуточные филаменты опосредуют цитоскелетные перекрестные помехи». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 5 (8): 601–13. doi :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. ^ Karabinos A, Riemer D, Erber A, Weber K (октябрь 1998 г.). «Гомологи белков промежуточных филаментов (IF) позвоночных типов I, II и III у беспозвоночных: мультигенное семейство IF головохордовых Branchiostoma». FEBS Letters . 437 (1–2): 15–8. doi : 10.1016/S0014-5793(98)01190-9 . PMID  9804163. S2CID  7886395.
  5. ^ Ishikawa H, Bischoff R, Holtzer H (сентябрь 1968 г.). «Митоз и филаменты среднего размера в развивающихся скелетных мышцах». The Journal of Cell Biology . 38 (3): 538–55. doi :10.1083/jcb.38.3.538. PMC 2108373. PMID  5664223 . 
  6. ^ abcdef Szeverenyi I, Cassidy AJ, Chung CW, Lee BT, Common JE, Ogg SC и др. (март 2008 г.). «База данных промежуточных филаментов человека: полная информация о семействе генов, вовлеченных во многие заболевания человека». Human Mutation . 29 (3): 351–360. doi : 10.1002/humu.20652 . PMID  18033728. S2CID  20760837.
  7. ^ Soltys BJ, Gupta RS (1992). «Взаимоотношения эндоплазматического ретикулума, митохондрий, промежуточных филаментов и микротрубочек — исследование с использованием четырехкратной флуоресцентной маркировки». Биохимия и клеточная биология . 70 (10–11): 1174–86. doi :10.1139/o92-163. PMID  1363623.
  8. ^ Ханукоглу И, Фукс Э. (ноябрь 1982 г.). «Последовательность ДНК человеческого эпидермального кератина: расхождение последовательности, но сохранение структуры среди промежуточных филаментных белков». Cell . 31 (1): 243–52. doi :10.1016/0092-8674(82)90424-X. PMID  6186381. S2CID  35796315.
  9. ^ ab Hanukoglu I, Fuchs E (июль 1983 г.). «Последовательность кДНК цитоскелетного кератина II типа выявляет постоянные и вариабельные структурные домены среди кератинов». Cell . 33 (3): 915–24. doi :10.1016/0092-8674(83)90034-X. PMID  6191871. S2CID  21490380.
  10. ^ Lee CH, Kim MS, Chung BM, Leahy DJ, Coulombe PA (июнь 2012 г.). «Структурная основа гетеромерной сборки и перинуклеарной организации кератиновых филаментов». Nature Structural & Molecular Biology . 19 (7): 707–15. doi :10.1038/nsmb.2330. PMC 3864793. PMID  22705788 . 
  11. ^ ab Hanukoglu I, Ezra L (январь 2014 г.). «Proteopedia entry: coiled-coil structure of keratins». Biochemistry and Molecular Biology Education . 42 (1): 93–4. doi : 10.1002/bmb.20746 . PMID  24265184. S2CID  30720797.
  12. ^ abc Qin Z, Kreplak L, Buehler MJ (октябрь 2009 г.). "Иерархическая структура контролирует наномеханические свойства промежуточных филаментов виментина". PLOS ONE . ​​4 (10): e7294. Bibcode :2009PLoSO...4.7294Q. doi : 10.1371/journal.pone.0007294 . PMC 2752800 . PMID  19806221. 
  13. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (2000). Молекулярная клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman. стр. Раздел 19.6, Промежуточные филаменты. ISBN 978-0-07-243940-3.
  14. ^ Wang Q, Tolstonog GV, Shoeman R, Traub P (август 2001 г.). «Места связывания нуклеиновых кислот в белках субъединиц промежуточных филаментов типа I-IV». Биохимия . 40 (34): 10342–9. doi :10.1021/bi0108305. PMID  11513613.
  15. ^ Shoeman RL, Hüttermann C, Hartig R, Traub P (январь 2001 г.). «Аминоконцевые полипептиды виментина отвечают за изменения в ядерной архитектуре, связанные с активностью протеазы вируса иммунодефицита человека типа 1 в клетках культуры тканей». Молекулярная биология клетки . 12 (1): 143–54. doi :10.1091/mbc.12.1.143. PMC 30574. PMID  11160829 . 
  16. ^ Takemura M, Gomi H, Colucci-Guyon E, Itohara S (август 2002 г.). «Защитная роль фосфорилирования в обороте глиального фибриллярного кислого белка у мышей». The Journal of Neuroscience . 22 (16): 6972–9. doi :10.1523/JNEUROSCI.22-16-06972.2002. PMC 6757867 . PMID  12177195. 
  17. ^ Parry DA, Marekov LN, Steinert PM, Smith TA (2002). «Роль сегментов стержневых доменов 1A и L1 в организации домена головы и функции промежуточных филаментов: структурный анализ кератина трихоцитов». Журнал структурной биологии . 137 (1–2): 97–108. doi :10.1006/jsbi.2002.4437. PMID  12064937.
  18. ^ Куинлан Р., Хатчисон С., Лейн Б. (1995). «Промежуточные филаментные белки». Профиль белка . 2 (8): 795–952. PMID  8771189.
  19. ^ Helfand BT, Chang L, Goldman RD (январь 2004). «Промежуточные филаменты — это динамические и подвижные элементы клеточной архитектуры». Journal of Cell Science . 117 (Pt 2): 133–41. doi : 10.1242/jcs.00936 . PMID  14676269.
  20. ^ Herrmann H, Bär H, Kreplak L, Strelkov SV, Aebi U (июль 2007 г.). «Промежуточные филаменты: от архитектуры клеток до наномеханики». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 8 (7): 562–73. doi :10.1038/nrm2197. PMID  17551517. S2CID  27115011.Qin Z, Kreplak L, Buehler MJ (октябрь 2009 г.). "Иерархическая структура контролирует наномеханические свойства промежуточных филаментов виментина". PLOS ONE . ​​4 (10): e7294. Bibcode :2009PLoSO...4.7294Q. doi : 10.1371/journal.pone.0007294 . PMC  2752800 . PMID  19806221.Креплак Л., Фадж Д. (январь 2007 г.). «Биомеханические свойства промежуточных нитей: от тканей к одиночным нитям и обратно». BioEssays . 29 (1): 26–35. doi :10.1002/bies.20514. PMID  17187357. S2CID  6560740.Qin Z, Buehler MJ, Kreplak L (январь 2010 г.). «Многомасштабный подход к пониманию механобиологии промежуточных филаментов». Журнал биомеханики . 43 (1): 15–22. doi :10.1016/j.jbiomech.2009.09.004. PMID  19811783.Qin Z, Kreplak L, Buehler MJ (октябрь 2009 г.). "Наномеханические свойства димеров промежуточных нитей виментина". Нанотехнология . 20 (42): 425101. Bibcode :2009Nanot..20P5101Q. doi :10.1088/0957-4484/20/42/425101. PMID  19779230. S2CID  6870454.
  21. ^ Haimov E, Windoffer R, Leube RE, Urbakh M, Kozlov MM (июль 2020 г.). «Модель связывания промежуточных филаментов кератина». Biophysical Journal . 119 (1): 65–74. Bibcode :2020BpJ...119...65H. doi : 10.1016/j.bpj.2020.05.024 . PMC 7335914 . PMID  32533940. 
  22. ^ Brodehl A, Gaertner-Rommel A, Milting H (август 2018 г.). «Молекулярные исследования кардиомиопатий, связанных с мутациями десмина (DES)». Biophysical Reviews . 10 (4): 983–1006. doi :10.1007/s12551-018-0429-0. PMC 6082305 . PMID  29926427. 
  23. ^ "SYNC – Syncoilin – Homo sapiens (Human) – SYNC gene & protein". www.uniprot.org . Получено 20 декабря 2021 г. .
  24. ^ Бернал А, Арранц Л (июнь 2018 г.). «Клетки-предшественники, экспрессирующие нестин: функция, идентичность и терапевтические последствия». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 75 (12): 2177–2195. doi :10.1007/s00018-018-2794-z. PMC 5948302. PMID  29541793 . 
  25. ^ abc Kollmar M (май 2015 г.). «Полифилия ядерных генов ламина указывает на раннее эукариотическое происхождение промежуточных филаментных белков метазойного типа». Scientific Reports . 5 : 10652. Bibcode :2015NatSR...510652K. doi : 10.1038/srep10652 . PMC 4448529 . PMID  26024016. 
  26. ^ Фишер Б., Диттманн С., Бродель А., Унгер А., Шталлмейер Б., Пол М. и др. (декабрь 2020 г.). «Функциональная характеристика новых патогенных вариантов десмина альфа-спирального стержневого домена (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. ^ Bermúdez-Jiménez FJ, Carriel V, Brodehl A, Alaminos M, Campos A, Schirmer I и др. (апрель 2018 г.). «Новая мутация десмина p.Glu401Asp нарушает формирование филаментов, нарушает целостность клеточной мембраны и вызывает тяжелую аритмогенную кардиомиопатию/дисплазию левого желудочка». Circulation . 137 (15): 1595–1610. doi : 10.1161/CIRCULATIONAHA.117.028719 . hdl : 10481/89514 . PMID  29212896. S2CID  4715358.
  28. ^ Protonotarios A, Brodehl A, Asimaki A, Jager J, Quinn E, Stanasiuk C 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. ^ Klauke B, Kossmann S, Gaertner A, Brand K, Stork I, Brodehl A и др. (декабрь 2010 г.). «De novo десмин-мутация N116S связана с аритмогенной правожелудочковой кардиомиопатией». Human Molecular Genetics . 19 (23): 4595–607. doi : 10.1093/hmg/ddq387 . PMID  20829228.
  30. ^ Brodehl A, Hedde PN, Dieding M, Fatima A, Walhorn V, Gayda S и др. (Май 2012 г.). «Двухцветная фотоактивационная локализационная микроскопия мутантов десмина, ассоциированных с кардиомиопатией». Журнал биологической химии . 287 (19): 16047–57. doi : 10.1074/jbc.M111.313841 . PMC 3346104. PMID 22403400  . 
  31. ^ Brodehl A, Pour Hakimi SA, Stanasiuk C, Ratnavadivel S, Hendig D, Gaertner A и др. (ноябрь 2019 г.). «Рестриктивная кардиомиопатия вызвана новой гомозиготной мутацией десмина (DES) p.Y122H, приводящей к тяжелому дефекту сборки нитей». Genes . 10 (11): 918. doi : 10.3390/genes10110918 . PMC 6896098 . PMID  31718026. 
  32. ^ Kley RA, Hellenbroich Y, van der Ven PF, Fürst DO, Huebner A, Bruchertseifer V и др. (декабрь 2007 г.). «Клинический и морфологический фенотип филаминовой миопатии: исследование 31 немецкого пациента». Brain: A Journal of Neurology . 130 (Pt 12): 3250–64. doi : 10.1093/brain/awm271 . PMID  18055494.
  33. ^ Марахонов АВ, Бродель А, Мясников РП, Спарбер ПА, Киселева АВ, Куликова ОВ и др. (Июнь 2019). «Некомпактная кардиомиопатия вызвана новой мутацией делеции десмина в рамке считывания (DES) в сегменте стержня спиральной спирали 1А, приводящей к тяжелому дефекту сборки нитей». Human Mutation . 40 (6): 734–741. doi : 10.1002/humu.23747 . PMID  30908796. S2CID  85515283.
  34. ^ Schirmer I, Dieding M, Klauke B, Brodehl A, Gaertner-Rommel A, Walhorn V и др. (март 2018 г.). «Новая мутация десмина (DES) indel вызывает тяжелую атипичную кардиомиопатию в сочетании с атриовентрикулярной блокадой и скелетной миопатией». Molecular Genetics & Genomic Medicine . 6 (2): 288–293. doi :10.1002/mgg3.358. PMC 5902401 . PMID  29274115. 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Промежуточный филаментный белок, спирально-витковая область .
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR001322
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR006821