FILAMEN PERTENGAHAN: STRUKTUR, JENIS, FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The filamen pertengahan , juga dikenali dalam kesusasteraan sebagai "IFS" (daripada filamen English Intermediate), adalah keluarga protein berserabut tidak larutan cytosolic hadir dalam semua sel-sel eukariot multisel.

Mereka adalah sebahagian dari sitoskeleton, yang merupakan rangkaian filamen intraselular yang terutama bertanggung jawab atas sokongan struktur sel dan pelbagai proses metabolik dan fisiologi seperti pengangkutan vesikel, pergerakan dan perpindahan sel, dll.

Mikroskopi imunofluoresensi dua protein filamen pertengahan astrosit (Vimentin dan GFAP) (Sumber: GerryShaw melalui Wikimedia Commons)

Bersama dengan mikrotubulus dan mikrofilamen, filamen pertengahan mengambil bahagian dalam organisasi spasial organel intraselular, dalam proses endositosis dan eksositosis, dan juga dalam proses pembelahan sel dan komunikasi antar sel.

Filamen pertengahan pertama yang akan dikaji dan dijelaskan adalah keratin, salah satu jenis protein pertama yang strukturnya dianalisis dengan difraksi sinar-X pada tahun 1930-an.

Konsep filamen antara, bagaimanapun, diperkenalkan pada tahun 1980-an oleh Lazarides, yang menggambarkannya sebagai "penyatuan mekanik ruang sel" yang kompleks, yang dicirikan oleh ketidak larut dan kemampuan mereka untuk berkumpul semula secara in vitro setelah denaturasi.

Mereka dianggap oleh banyak penulis sebagai elemen "penyangga" tekanan untuk sel haiwan, kerana filamennya lebih fleksibel daripada mikrotubulus dan mikrofilamen. Mereka tidak hanya dijumpai di sitoskeleton, tetapi mereka juga merupakan bahagian nukleoskeleton.

Tidak seperti komponen berserat lain dari sitoskeleton, filamen perantaraan tidak berpartisipasi secara langsung dalam proses mobiliti sel, melainkan berfungsi dalam penyelenggaraan struktur dan ketahanan mekanikal sel.

Struktur

Sumber: http://rsb.info.nih.gov/ij/images/

Filamen pertengahan mempunyai diameter kira-kira 10 nm, ciri struktur yang dinamakannya, kerana ukurannya antara ukuran yang sesuai dengan filamen myosin dan aktin, yang antara 25 dan 7 nm. masing-masing.

Mereka berbeza secara struktural dari dua jenis filamen sitoskeletal lain, yang merupakan polimer protein globular, kerana unit penyusunnya adalah protein berserat α-heliks panjang panjang yang berbeza yang berkelompok untuk membentuk struktur seperti tali.

Semua protein yang membentuk filamen perantaraan mempunyai organisasi molekul yang serupa, yang terdiri dari domain α-heliks atau "tali" yang mempunyai jumlah segmen "pembentuk gegelung" dengan ukuran yang sama.

Domain heliks ini diapit oleh "kepala" non-heliks terminal N dan "ekor" non-heliks di hujung terminal-C, yang keduanya berbeza-beza dalam ukuran dan urutan asid amino.

Dalam urutan kedua ujung ini adalah motif konsensus yang biasa untuk 6 jenis filamen perantaraan yang diketahui.

Dalam vertebrata, domain "kord" protein filamen perantara sitosolik adalah kira-kira 310 residu asid amino, sementara protein sitosolat lamina invertebrata dan nuklear kira-kira 350 asid amino.

perhimpunan

Filamen pertengahan adalah struktur "pemasangan sendiri" yang tidak mempunyai aktiviti enzimatik, yang juga membezakannya dari rakan sitoskeletal mereka (mikrotubulus dan mikrofilamen).

Struktur ini pada mulanya dipasang sebagai tetramer protein filamen yang membentuknya di bawah pengaruh kation monovalen sahaja.

Tetramers ini panjangnya 62 nm dan monomernya bersatu antara satu sama lain secara lateral untuk membentuk filamen panjang unit (UFL), yang dikenali sebagai pemasangan fasa 1, yang berlaku dengan sangat cepat. .

UFL adalah pendahulu filamen panjang dan, kerana dimer yang membentuknya digabungkan bersama dengan cara yang berlawanan dan berperingkat, unit-unit ini mempunyai domain pusat dengan dua domain yang saling melintas di mana fasa 2 pemanjangan berlaku. , di mana penyatuan membujur UFL lain berlaku.

Semasa apa yang telah disebut sebagai fasa 3 pemasangan, pemadatan radial diameter filamen berlaku, yang menghasilkan filamen perantara matang berdiameter lebih kurang 10 nm.

ciri-ciri

Fungsi filamen perantaraan sangat bergantung pada jenis sel yang dipertimbangkan dan, dalam hal haiwan (termasuk manusia), ekspresi mereka diatur dengan cara khusus tisu, oleh itu ia juga bergantung pada jenis tisu daripada dalam kajian.

Epitelia, otot, sel mesenkim dan glial dan neuron mempunyai pelbagai jenis filamen, khusus mengikut fungsi sel yang menjadi miliknya.

Di antara fungsi-fungsi ini, yang paling penting adalah penyelenggaraan struktur sel dan ketahanan terhadap tekanan mekanikal yang berbeza, kerana struktur ini mempunyai keanjalan tertentu yang memungkinkan mereka untuk menahan pelbagai jenis daya yang dikenakan pada sel.

Jenis filamen perantaraan

Protein yang membentuk filamen perantaraan tergolong dalam keluarga protein filamen yang besar dan heterogen yang berbeza secara kimia tetapi dibezakan menjadi enam kelas mengikut homologi urutannya (I, II, III, IV, V dan VI).

Walaupun tidak begitu biasa, pelbagai jenis sel, dalam keadaan yang sangat khusus (perkembangan, transformasi sel, pertumbuhan, dll.) Dapat mengekspresikan bersama lebih dari satu kelas protein pembentuk filamen perantaraan

Filamen pertengahan Kelas I dan II: keratin berasid dan asas

Keratin mewakili sebahagian besar protein dalam filamen perantaraan dan, pada manusia, mereka mewakili lebih daripada tiga perempat dari filamen perantaraan.

Berat molekulnya bervariasi antara 40 dan 70 kDa dan berbeza dengan protein filamen perantaraan yang lain kerana kandungan residu glisin dan serinnya yang tinggi.

Mereka dikenali sebagai keratin berasid dan asas kerana titik isoelektriknya, yang antara 4.9 dan 5.4 untuk keratin berasid dan antara 6.1 dan 7.8 untuk yang asas.

Dalam dua kelas ini, sekitar 30 protein telah dijelaskan dan terdapat terutamanya dalam sel epitelium, di mana kedua-dua jenis protein tersebut "berpolimerisasi bersama" dan membentuk filamen sebatian.

Banyak keratin kes filamen perantaraan I terdapat dalam struktur seperti rambut, kuku, tanduk, paku, dan cakar, sedangkan keratin kelas II paling banyak terdapat di sitosol.

Filamen pertengahan Kelas III: Protein jenis desmin / vimentin

Desmin adalah protein berasid 53 kDa yang, bergantung pada tahap fosforilasi, mempunyai varian yang berbeza.

Beberapa pengarang juga menyebut filamen desmin sebagai "filamen otot perantaraan", kerana kehadirannya cukup terhad, walaupun dalam jumlah kecil, untuk semua jenis sel otot.

Pada myofibrils, desmin dijumpai di garis Z, jadi difikirkan bahawa protein ini menyumbang kepada fungsi kontraksi serat otot dengan berfungsi pada persimpangan myofibril dan membran plasma.

Foto pewarnaan protein Vimentin, protein dari filamen antara sel epitelium dan embrio (Sumber: Viktoriia Kosach melalui Wikimedia Commons)

Sebaliknya, vimentin adalah protein yang terdapat dalam sel mesenchymal. Filamen perantaraan yang dibentuk oleh protein ini fleksibel dan didapati menentang banyak perubahan konformasi yang berlaku semasa kitaran sel.

Ia terdapat dalam fibroblas, sel otot polos, sel darah putih, dan sel lain dalam sistem peredaran haiwan.

Filamen pertengahan kelas IV: protein neurofilamen

Juga dikenali sebagai "neurofilaments", kelas filamen pertengahan ini merangkumi salah satu elemen struktur asas akson neuron dan dendrit; mereka sering dikaitkan dengan mikrotubulus yang juga membentuk struktur ini.

Neurofilamen haiwan vertebrata telah diasingkan, yang menentukan bahawa ia adalah triplet protein 200, 150 dan 68 kDa yang mengambil bahagian dalam pemasangan in vitro.

Mereka berbeza dari filamen perantaraan yang lain kerana mereka memiliki lengan lateral sebagai "pelengkap" yang memproyeksikan dari pinggiran yang sama dan berfungsi dalam interaksi antara filamen tetangga dan struktur lain.

Sel glial menghasilkan jenis khas filamen perantaraan yang dikenali sebagai filamen antara glial, yang berbeza secara struktural dari neurofilamen kerana ia terdiri daripada satu protein 51 kDa tunggal dan mempunyai sifat fizikokimia yang berbeza.

Kelas filamen pertengahan V: filamen lamina nuklear

Semua lamina yang merupakan sebahagian daripada nukleoskeleton sebenarnya adalah protein filamen perantaraan. Ini adalah antara 60 dan 75 kDa dalam berat molekul dan terdapat di nukleus semua sel eukariotik.

Mereka penting untuk organisasi dalaman wilayah nuklear dan banyak fungsi organel ini penting untuk kewujudan eukariota.

Kelas filamen pertengahan VI: Nestinas

Jenis filamen perantaraan ini mempunyai berat kira-kira 200 kDa dan banyak dijumpai dalam sel stem sistem saraf pusat. Mereka dinyatakan semasa perkembangan neuron.

Patologi berkaitan

Terdapat pelbagai penyakit pada manusia yang berkaitan dengan filamen perantaraan.

Dalam beberapa jenis barah, seperti melanoma malignan atau karsinoma payudara, misalnya, ekspresi bersama filamen antara vimentin dan keratin membawa kepada pembezaan atau interkonversi sel epitelium dan mesenkim.

Fenomena ini telah ditunjukkan secara eksperimen untuk meningkatkan aktiviti migrasi dan invasif sel-sel barah, yang mempunyai implikasi penting bagi ciri-ciri proses metastatik keadaan ini.

Eriksson et al. (2009) mengkaji pelbagai jenis penyakit dan hubungannya dengan mutasi spesifik dalam gen yang terlibat dalam pembentukan enam jenis filamen perantaraan.

Penyakit yang berkaitan dengan mutasi pada gen yang mengekodkan dua jenis keratin adalah epidermolisis bullosa, hiperkeratosis epidermolitik, distrofi kornea, keratoderma, dan banyak lagi.

Filamen pertengahan Jenis III terlibat dalam banyak kardiomiopati dan penyakit otot yang berbeza terutamanya yang berkaitan dengan distrofi. Di samping itu, mereka juga bertanggungjawab terhadap katarak dominan dan beberapa jenis sklerosis.

Banyak sindrom dan gangguan neurologi dikaitkan dengan filamen jenis IV, seperti Parkinson. Dengan cara yang sama, kecacatan genetik pada filamen jenis V dan VI bertanggungjawab untuk perkembangan penyakit autosom yang berbeza dan berkaitan dengan fungsi inti sel.

Contohnya ialah sindrom progeria Hutchinson-Gilford, distrofi otot Emery-Dreifuss, antara lain.

Rujukan

1. Anderton, BH (1981). Filamen pertengahan: keluarga struktur homolog. Jurnal Penyelidikan Otot dan Motilitas Sel, 2 (2), 141–166.
2. Eriksson, JE, Pallari, H., Robert, D., Eriksson, JE, Dechat, T., Grin, B.,… Goldman, RD (2009). Memperkenalkan filamen pertengahan: dari penemuan hingga penyakit. Jurnal Penyiasatan Klinikal, 119 (7), 1763–1771.
3. Fuchs, E., & Weber, K. (1994). Filamen Pertengahan: Struktur, Dinamik, Fungsi dan Penyakit. Annu. Biokimia Pendeta , 63, 345–382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT, & Seftor, REB (1996). Peranan filamen perantaraan dalam penghijrahan, pencerobohan dan metastasis. Ulasan Kanser dan Metastasis, 15 (4), 507–525.
5. Herrmann, H., & Aebi, U. (2004). Filamen Pertengahan: Struktur Molekul, Mekanisme Perhimpunan, dan Integrasi ke Perancah Intraselular yang Berfungsi. Kajian Tahunan Biokimia, 73 (1), 749-789.
6. Herrmann, H., & Aebi, U. (2016). Filamen Pertengahan: Struktur dan Pemasangan. Perspektif Pelabuhan Cold Spring dalam Biologi, 8, 1-22.
7. McLean, I., & Lane, B. (1995). Filamen pertengahan dalam penyakit. Pendapat Semasa dalam Biologi Sel, 7 (1), 118–125.
8. Steinert, P., & Roop, D. (1988). Biologi Molekul dan Selular Filamen Pertengahan. Kajian Tahunan Biokimia, 57 (1), 593-625.
9. Steinert, P., Jones, J., & Goldman, R. (1984). Filamen pertengahan. Jurnal Biologi Sel, 99 (1), 1–6.