Глава 2 Классификация белков промежуточных филаментов

В отличие от других основных элементов цитоскелета, промежуточные филаменты в цитоплазме клеток разных тканей состоят из разных, хотя и похожих по своей структуре белков. Все белки промежуточных филаментов у человека кодируют около 70 генов. На основе особенностей аминокислотного состава и строения выделяют пять основных групп белков промежуточных филаментов:

1 группа кератины:

Из кератинов с молекулярной массой 40-70 кДа состоит наиболее разнообразная группа промежуточных филаментов. Данный тип белков делится на 2 подсемейства:

• кислые кератины;

• нейтральные и основные кератины.

Димер кератина состоит из одного кислого и одного основного кератина. Среди многочисленных изоформ кератина выделяют две основные группы – эпителиальные кератины , включающую около 20 видов кератинов, и кератины волос (примерно 10 видов), из которых построены также ногти, рога и чешуя пресмыкающихся.

2 группа включает в себя 4 вида белков:

• десмин;

• глиальный фибриллярный кислый белок;

• периферин.

3 группа включает:

• виментин – белок с массой 45-53 кДа, характерный для клеток мезенхимного происхождения: входит в состав клеток соединительной ткани, эндотелия, клеток крови;

• Альфа-интернексин;

• Белки нейрофиламентов;

• Нестин;

• Синемин;

• Синкойлин.

При сравнении аминокислотных последовательностей различных белков ПФ из разных типов клеток и видов животных стало очевидно, что белки ПФ могут быть легко сгруппированы разными исследователями в «тип I» - «тип V» ( Conway and Parry 1988 ). или классы гомологии последовательностей (SHC 1 – SHC 5) ( Herrmann and Aebi 2000). Интересно, что эта классификация на основе последовательностей также отражает их биологическую функцию и тканевое происхождение. Следовательно, кератины подразделяются на SHC 1 и SHC 2. Эта классификация по степени идентичности последовательностей хорошо коррелирует с поведением кератинов при двумерном гель-электрофорезе.

Первоначально «кислые» кератины были названы типом I (pI 4,9–5,4), а «основные» кератины - типом II (pI 6,1–7,8). Нумерация началась с K1, самого основного и самого большого кератина, и продолжилась до K19, самого маленького на тот момент кислого кератина ( Moll et al. 1982 ). Примечательно, что все кератиновые филаменты построены из гетеродимеров одного белка типа I и одного белка типа II ( Quinlan et al. 1984 ; Hatzfeld and Weber 1990; Steinert 1990). Более того, используя двумерный гель-электрофорез с разными концентрациями мочевины в первом измерении, было показано, что, когда пары кератина были объединены «беспорядочно» в мономерном состоянии в 8 М мочевины от членов основной и кислотной групп, они все еще образуют стабильные гетеродимеры в 5 М мочевине ( Hatzfeld and Franke 1985). Эти эксперименты показали, что силы притяжения, опосредующие образование спиралей, велики.

Соответственно, аналитическим ультрацентрифугированием было показано, что виментин образует димеры в 6 М мочевине. Когда концентрация мочевины была дополнительно снижена до 5 МКМ, димеры образовали упорядоченные тетрамерные комплексы - довольно необычная особенность для белков (Herrmann et al. 1996).

Геном человека содержит 67 генов кератина, 54 из которых являются функциональными (Schweizer et al. 2007). Кератины поступают в виде «мягких» компонентов, таких как живые клетки, и в виде «твердых» (или «трихоцитарных») компонентов придатков, таких как волосы и ногти. Из этих 54 генов мягкие кератины объясняются 37 генами (17 SHC 1 и 20 SHC 2), а твердые кератины - 17 генами (11 SHC 1 и шесть SHC 2). Жесткие кератины, как правило, очень богаты цистеинами, а в волосяной луковице кератины содержат множество ассоциированных белков (КАП), представленных 21 различным семейством, содержащим 85 генов (Rogers et al. 2006). Эти белки помогают стабилизировать гибкие кератиновые IF в трех измерениях, прежде чем они станут сильно окисленными. В результате образуются высокоориентированные волокнистые структуры, дающие впечатляющие картины дифракции рентгеновских лучей (Kreplak et al. 2004). С клеточнобиологической точки зрения формирование различных придатков на основе IF требует очень сложной серии этапов дифференцировки эпителиальных стволовых клеток в тканевые специализации или так называемые «микрофабрики» (Fuchs 2009).

Белки промежуточных филаментов принадлежат к одной из четырех различных групп – кератинам, белкам мезенхимных клеток, белкам нейрофибрилл и ламинам.

Кератины представляют собой семейство фибриллярных белков с молекулярной массой 40-70 кД, специфичных для эпителиальных клеток. К белкам нейрофиламентов относятся три полипептида с молекулярной массой 68, 145 и 220 кД. Они вместе с микротрубочками входят в состав характерных для нервных клеток структур – нейрофибрилл, которые участвуют в формировании системы внутриклеточного транспорта в теле нейрона и его отростках.

Промежуточные филаменты цитоплазмы локализуются в основном вокруг клеточного ядра, а также образуют пучки, идущие от ядра на периферию клетки. Распределение промежуточных филаментов в клетке в значительной степени совпадает с распределением микротрубочек, что отражает их совместное участие во внутриклеточных транспортных системах. В отличие цитоплазматических белков, образующих фибриллы, локализованные в клеточном ядре ламины A, B и C (молекулярная масса 60-70 кД) собраны в прямоугольные решетки. Сформированный ими остов, или ядерный матрикс, контактирует с внутренней мембраной нуклеолеммы, обеспечивая поддержание размеров и формы клеточного ядра. Ядерный матрикс из ламинов служит также опорной структурой для хромосом. При митозе или мейозе ламины фосфорилируются киназами клеточного деления, что приводит к их деполимеризации и распаду нуклеолеммы на отдельные рассеянные по цитоплазме пузырьки. В конце деления активируются фосфатазы, обеспечивающие полимеризацию ламинов и восстановление ядерного матрикса и нуклеолеммы.