2.2.2.2.4.2. Промежуточные филаменты
Промежуточные филаменты (ПФ) эукариотических клеток пред - ставляют собой длинные нитевидные структуры толщиной 5-7 нм, находящиеся в цитоплазме и придающие клетке прочность. Они состоят из крепких, волокнистых, устойчивых к растяжению полипептидов - кератинов, виментиноподобных белков, белков нейрофиламентов, ламин и др., о которых речь шла выше (см. «Основные белки цитоскелета»). Эти, самые стабильные филаменты, распределяясь по клетке, образуют прочную сеть, выполняя опорную функцию. Промежуточными они называются из-за того, что их диаметр (8-12нм) меньше диаметра микротрубочек (25нм), но больше диаметра (5-8нм) актиновых филаментов (рис.130). Содержатся как в цитоплазме, так и в ядре большинства эукариотических клеток. В ядре известен только один тип промежуточных филаментов - ламиновых, остальные типы - цитоплазматические.
Рис.130. I - компоненты цитоскелета клетки: актиновые филаменты (А), про-
межуточные филаменты (Б) и микротрубочки (В);
II - распределение компонентов цитоскелета в клетке: я –ядро, ц – центросома
Промежуточные филаменты в клетках образуют «корзинку» вокруг ядра, оттуда они направляются к периферии клеток. ПФ особенно много в клетках, подверженных механическим нагрузкам: в эпителиях, где ПФ участвуют в соединении клеток друг с другом через межклеточные контакты – десмосомы; в нервных волокнах, в клетках гладкой и поперечно-полосатой мышечной ткани.
Промежуточные филаменты являются одним из компонентов цитоскелета в эукариотических клетках. В разных типах клеток на разных этапах эмбрионального развития синтезируются ПФ, состоящие из разных белков. В некоторых клетках одновременно присутствуют несколько различных типов ПФ. Всего в геноме человека обнаружено около 70 генов, кодирующих различные белки ПФ, которые образуют одно из самых многочисленных белковых семейств.
На основе биохимического, иммунологическогом и структурного сходства, выделяют пять различных типов промежуточных филаментов:
I и II типы - наиболее сложная по составу группа ПФ, состоящая из белков кератинов: кислые кератины образуют ПФ I типа, а основные кератины –II типа. Сюда относятся эпидермальные кератины, простые эпителиальные кератины и кератины, которые экспрессирутся в волосах, шерсти и ногтях;
III тип – ПФ этого типа формируются четырьмя белками: десмином, виментином, периферином и кислым глиальный белком GFAP (glial filament acidic protein). Десмин сиртезируется в мышечных клетках; виментин - в фибробластах, лимфоцитах, эндотелиальных клетках и некоторых других мезенхимных тканях; периферин - в периферических нейронах, GFAP - в глиальных клетках;
IV тип – ПФ этого типа формируются белком α-интернексином, тремя белками нейрофиламентов: NF-L, NF-M, NF-H (neurofilament light, neurofilament medium, neurofilament heavy proteins) и белком нестином;
V тип – сюда относятся ПФ, образуемые белками ламинами;VI тип – ПФ этого типа образованы двумя белками хрусталика глаза.
Несмотря на разнообразие белков, формирующих ПФ, все они имеют единый план строения (рис.131): состоят из центрального α-спирального домена с неспиральными N-концевым («голова») и С-концевым («хвост») доменами. Концевые домены у белков различные, а центральные домены всех белков содержат 4 одинаковых спиральных сегмента 1А,1В,2А и 2В и между ними не спиральные линкерные участки L1, L1-2 и L2.
Рис.131. План строения белков промежуточных филаментов (Из:Минин, Молдавер, 2008)
По принципу сборки промежуточные филаменты делятся на 3 группы:
1 - ПФ собираются из субъединиц различного типа белков (кератины);
2 - ПФ собираются из субъединиц одного типа белков (нейрофила- менты);
3 - ПФ, состоящие из ядерных ламин, формирование которых отли - чается от двух предыдущих групп.
Формирование ПФ осуществляется путем самосборки без участия дополнительных белков и дополнительной энергии за счет гидрофобного взаимодействия субъединиц белка, образующего ПФ.
Промежуточные филаменты 1 и 2 группы образуются путем скручивания попарно двух α-спиралей полипептидов (рис.132), образуя спиральный димер (рис.132,б). Далее два спиральных димера скручиваются антипараллельно, за счет электростатического взаимодействия между «+» заряженным N-концом одного димера с «-» заряженным центральным доменом другого, образуя тетрамер (рис.132,в). Антипараллельность тетрамера придает ему особую прочность. Тетрамеры выравниваются вдоль оси филамента и образуют протофиламент: либо, связываясь свободными концами, «голова-к-хвосту» (рис.132,д), либо два тетрамера скручиваются попарно, формируя октамер (рис.132,г), 2 октамера образуют прото- филамент; 2-4 протофиламента формируют протофибриллу, которые скручиваясь образуют филамент (рис.133).
ПФ 3
группы (ламины) образуются из димеров,
которые соединяются «голова
к хвосту», формируя
линейный полимер (рис.109).
Промежуточные филаменты разных клеток содержат разные белки:
нейрофиламенты нейронов – из белков NF-L, NF-M, NF-Н;
ПФ нейроглин - из кислых глиальных белков;
ПФ эпителиальных клеток - из кератинов;
ПФ мышечных клеток – из белков десминов;
ПФ мезенхимы и миоцитов сосудов - из белков виментинов.
Рис.132. Схема процесса образования промежуточных филаментов:
а - полипептид, б - димер, в - тетрамер, г, д – протофиламент (Из: Минин, Молдавер, 2008)
Основные функция ПФ основаны на механических свойствах и способности к самосборке и заключаются:
1 - в поддержании клеточной и тканевой целостности;
2 - во внутриклеточном распределении органелл и белков;
3 - в правильном расположении органелл и белков;
4 – в обеспечение условий их функционирования.
Так, митохондрии, лишенные десминовых ПФ меняются морфо – логически; изменяется их локализация и разрушается матрикс. У аппарата Гольджи при отсутствии определенных белков, образующих ПФ также нарушается структура, локализация и формирование транспортных пузырьков. Белки комплекса KASH и SUN образуют виментиновые филаменты. Соединяясь с наружной и внутренней мембранами ядра, они связывают ядро с цитоскелетом и ядерной ламиной, обеспечивая сохранение формы ядра и удержание его на месте (рис.134). Мутация любого из этих белков приведет к изменению формы и размеров ядра, а так же изменениям в его функционировании.
ПФ участвуют в поддержании липидного состава мембран. Нарушения структуры или сборки ПФ приводят: к нарушению транспорта липидов к мембране, нарушению синтеза холестерола и затруднению транспорта липидов из АГ в эндосомы. ПФ участвуют в образовании межклеточных контактов.
Рис.133. Промежуточный филамент: 1 – димер, 2 – тетрамер, 3 - протофибрилла, 4 – протофиламент (Из:Минин, Молдавер, 2008)
Нарушения, связанные со структурой ПФ являются причиной многих патологических состояний человека. К настоящему времени установлены мутации генов белков ПФ, лежащих в основе тяжелых наследственных заболеваний, таких как:
1 - нейропатии Шарко-Мари-Туз вызвана мутацией гена NF-L;
2 - наследственный буллезный эпидермолиз; миопатия и кардио- миопатия возникают в результате нарушений в структуре десминовых ПФ,
связанных с мутацией кератинов 5 и 14;
3 - тяжелые неврологические заболевания: амиотрофический лате -ральный склероз и болезнь Александра являются следствием мутаций генов периферина и GFAP;
4 - болезнь Германски-Пудлак (альбинизм, легочной фиброз и кровотечения) вызвана мутацией гена белка АР-3, участвующего вместе с виментиновыми ПФ в транспорте эндосом, лизосом и поступлении белков в лизосомы;
5 - болезнь Паркинсона и некоторые другие тяжелые нервные патологии обуславливаются наруше - ниями структуры нейрофиламентов, возникающих в результате мутаций белков их состав.
Рис.134. Схема участия виментиновых филаментов в сохранении формы ядра: а-актиновые филаменты, б – белок плектин,
с – белок ПФ нестрин-3 из комплекса KASH, д – белок из комплекса SUN, е – ядерные ламины, и – наружная, к -внутренняя мембраны, л – ядерная пора
(Из: Минин, Молдавер, 2008)