เส้นใยระดับกลาง: โครงสร้างประเภทฟังก์ชัน - ชีววิทยา

ไส้กลางยังเป็นที่รู้จักในวรรณคดีว่า "ด้อย" (ของเส้นใยภาษาอังกฤษระดับกลาง) เป็นครอบครัวของโปรตีนเส้นใย insolubles cytosolic ที่มีอยู่ในทุกเซลล์ของเซลล์ยูคาริโอ

พวกมันเป็นส่วนหนึ่งของโครงร่างเซลล์ซึ่งเป็นเครือข่ายใยภายในเซลล์ที่มีหน้าที่หลักในการสนับสนุนโครงสร้างของเซลล์และกระบวนการเผาผลาญและสรีรวิทยาต่างๆเช่นการเคลื่อนย้ายถุงน้ำการเคลื่อนย้ายของเซลล์และการกระจัดเป็นต้น

กล้องจุลทรรศน์อิมมูโนฟลูออเรสเซนต์ของโปรตีนสองชนิดของเส้นใยกลางของแอสโตรไซต์ (Vimentin และ GFAP) (ที่มา: GerryShaw ผ่าน Wikimedia Commons)

ร่วมกับ microtubules และ microfilaments เส้นใยกลางมีส่วนร่วมในการจัดระเบียบเชิงพื้นที่ของอวัยวะภายในเซลล์ในกระบวนการ endocytosis และ exocytosis และในกระบวนการแบ่งเซลล์และการสื่อสารระหว่างเซลล์

เส้นใยตัวกลางชนิดแรกที่ต้องศึกษาและอธิบายคือเคราตินซึ่งเป็นโปรตีนชนิดแรกที่วิเคราะห์โครงสร้างโดยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ในทศวรรษที่ 1930

อย่างไรก็ตามแนวคิดเรื่องเส้นใยกลางถูกนำมาใช้ในทศวรรษที่ 1980 โดย Lazarides ซึ่งอธิบายว่าพวกมันเป็น "ผู้รวมเชิงกลของพื้นที่เซลล์" ที่ซับซ้อนซึ่งมีลักษณะการไม่ละลายน้ำและความสามารถในการรวมตัวกันใหม่ในหลอดทดลองหลังจากการเปลี่ยนสภาพ

ผู้เขียนหลายคนถือว่าพวกมันเป็นองค์ประกอบ "บัฟเฟอร์" ความเครียดสำหรับเซลล์สัตว์เนื่องจากเป็นเส้นใยที่มีความยืดหยุ่นมากกว่าไมโครทูบูลและไมโครฟิลาเมนต์ พวกมันไม่เพียงพบในโครงร่างเซลล์เท่านั้น แต่ยังเป็นส่วนหนึ่งของนิวคลีโอสเคลตันด้วย

ซึ่งแตกต่างจากส่วนประกอบที่เป็นเส้นใยอื่น ๆ ของโครงร่างโครงร่างโครงกระดูกตรงกลางไม่ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในกระบวนการเคลื่อนที่ของเซลล์ แต่ทำหน้าที่ในการบำรุงรักษาโครงสร้างและความต้านทานเชิงกลของเซลล์

โครงสร้าง

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

เส้นใยกลางมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 นาโนเมตรซึ่งเป็นลักษณะโครงสร้างที่ถูกตั้งชื่อเนื่องจากขนาดอยู่ระหว่างขนาดที่สอดคล้องกับเส้นใยไมโอซินและแอกตินซึ่งอยู่ระหว่าง 25 ถึง 7 นาโนเมตร ตามลำดับ

พวกเขามีโครงสร้างที่แตกต่างจากเส้นใยเซลล์โครงร่างอีกสองประเภทซึ่งเป็นโพลีเมอร์ของโปรตีนทรงกลมโดยหน่วยที่เป็นส่วนประกอบของพวกมันคือโปรตีนเส้นใยα-helical ที่มีความยาวแตกต่างกันซึ่งรวมตัวกันเป็นโครงสร้างคล้ายเชือก

โปรตีนทั้งหมดที่ประกอบเป็นเส้นใยกลางมีการจัดเรียงโมเลกุลที่คล้ายกันซึ่งประกอบด้วยโดเมนα-helical หรือ "เชือก" ที่มีส่วน "ขดลวดขึ้นรูป" ในปริมาณที่แตกต่างกันที่มีขนาดเท่ากัน

โดเมนแบบขดลวดนี้ถูกขนาบข้างด้วย "ส่วนหัว" ที่ไม่ใช่ขั้ว N และ "หาง" ที่ไม่ใช่ขดลวดที่ปลายขั้ว C ซึ่งทั้งสองอย่างนี้แตกต่างกันไปทั้งขนาดและลำดับกรดอะมิโน

ภายในลำดับของปลายทั้งสองนี้เป็นรูปแบบฉันทามติที่พบได้ทั่วไปสำหรับเส้นใยกลาง 6 ชนิดที่รู้จักกัน

ในสัตว์มีกระดูกสันหลังโดเมน "คอร์ด" ของโปรตีนเส้นใยตัวกลางไซโตโซลิกคือกรดอะมิโนตกค้างประมาณ 310 ชนิดในขณะที่โปรตีนไซโตโซลิกลามินาที่ไม่มีกระดูกสันหลังและนิวเคลียร์มีความยาวประมาณ 350 กรดอะมิโน

การชุมนุม

เส้นใยระดับกลางเป็นโครงสร้างที่ "ประกอบขึ้นเอง" ซึ่งไม่มีกิจกรรมของเอนไซม์ซึ่งทำให้แตกต่างจากเซลล์ในเซลล์ (microtubules และ microfilaments)

โครงสร้างเหล่านี้เริ่มแรกรวมตัวกันเป็น tetramers ของโปรตีนเส้นใยที่ประกอบขึ้นภายใต้อิทธิพลของไอออนบวกเชิงเดี่ยวเท่านั้น

tetramers เหล่านี้มีความยาว 62 นาโนเมตรและโมโนเมอร์ของพวกมันเชื่อมโยงกันด้านข้างเพื่อสร้างเส้นใยความยาวหน่วย (UFL) หรือที่เรียกว่าเฟส 1 ของการประกอบซึ่งเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว .

UFL เป็นสารตั้งต้นของเส้นใยยาวและเนื่องจากตัวหรี่ที่ประกอบขึ้นนั้นถูกรวมเข้าด้วยกันในลักษณะที่ตรงกันข้ามและเซหน่วยเหล่านี้จึงมีโดเมนกลางที่มีสองโดเมนขนาบข้างซึ่งระยะที่ 2 ของการยืดตัวเกิดขึ้น ที่ซึ่งการรวมกันตามยาวของ UFL อื่น ๆ เกิดขึ้น

ในระหว่างที่เรียกว่าระยะที่ 3 ของการประกอบจะเกิดการบดอัดตามแนวรัศมีของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยซึ่งทำให้เกิดเส้นใยตัวกลางที่โตเต็มที่ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าหรือน้อยกว่า 10 นาโนเมตร

คุณสมบัติ

การทำงานของเส้นใยกลางขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์ที่พิจารณาเป็นอย่างมากและในกรณีของสัตว์ (รวมทั้งมนุษย์) การแสดงออกของมันจะถูกควบคุมด้วยวิธีเฉพาะเนื้อเยื่อซึ่งเป็นสาเหตุที่ขึ้นอยู่กับชนิดของเนื้อเยื่อด้วย มากกว่าในการศึกษา

เยื่อบุผิวกล้ามเนื้อเซลล์เมเซนไคมัลและ glial และเซลล์ประสาทมีเส้นใยประเภทต่างๆโดยเฉพาะตามการทำงานของเซลล์ที่พวกมันอยู่

ในบรรดาฟังก์ชั่นเหล่านี้สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการบำรุงรักษาโครงสร้างของเซลล์และความต้านทานต่อความเค้นเชิงกลที่แตกต่างกันเนื่องจากโครงสร้างเหล่านี้มีความยืดหยุ่นที่ช่วยให้รองรับแรงประเภทต่างๆที่กำหนดในเซลล์ได้

ประเภทของเส้นใยกลาง

โปรตีนที่ประกอบเป็นเส้นใยกลางเป็นของกลุ่มโปรตีนเส้นใยขนาดใหญ่และแตกต่างกันซึ่งมีความแตกต่างกันทางเคมี แต่แบ่งออกเป็นหกชั้นตามลำดับความคล้ายคลึงกัน (I, II, III, IV, V และ VI)

แม้ว่าจะไม่ใช่เซลล์ที่พบได้บ่อย แต่เซลล์ประเภทต่างๆภายใต้เงื่อนไขที่เฉพาะเจาะจง (การพัฒนาการเปลี่ยนแปลงของเซลล์การเจริญเติบโต ฯลฯ ) สามารถแสดงโปรตีนที่สร้างเส้นใยกลางได้มากกว่าหนึ่งคลาส

เส้นใยระดับกลาง Class I และ II: เคราตินที่เป็นกรดและเป็นพื้นฐาน

เคราตินเป็นตัวแทนของโปรตีนส่วนใหญ่ในเส้นใยกลางและในมนุษย์พวกมันเป็นตัวแทนของเส้นใยกลางมากกว่าสามในสี่

พวกมันมีน้ำหนักโมเลกุลที่แตกต่างกันระหว่าง 40 ถึง 70 kDa และแตกต่างจากโปรตีนใยกลางอื่น ๆ เนื่องจากมีสารไกลซีนและซีรีนตกค้างอยู่สูง

พวกเขาเรียกว่าเคราตินที่เป็นกรดและเป็นพื้นฐานเนื่องจากจุดไอโซอิเล็กทริกซึ่งอยู่ระหว่าง 4.9 ถึง 5.4 สำหรับเคราตินที่เป็นกรดและระหว่าง 6.1 ถึง 7.8 สำหรับระดับพื้นฐาน

ในสองชั้นเรียนนี้มีการอธิบายโปรตีนประมาณ 30 ชนิดและมีอยู่โดยเฉพาะในเซลล์เยื่อบุผิวโดยที่โปรตีนทั้งสองประเภท "ร่วมพอลิเมอไรซ์" และสร้างเส้นใยผสม

เคราตินที่เป็นเส้นใยกลางหลายชนิดพบได้ในโครงสร้างเช่นผมเล็บเขาแหลมและกรงเล็บในขณะที่ระดับ II มีมากที่สุดในไซโตซอล

เส้นใยระดับกลาง Class III: โปรตีนประเภท Desmin / vimentin

Desmin เป็นโปรตีนที่เป็นกรด 53 kDa ซึ่งขึ้นอยู่กับระดับของฟอสโฟรีเลชันมีตัวแปรที่แตกต่างกัน

ผู้เขียนบางคนเรียกว่า desmin filaments ว่า "เส้นใยกล้ามเนื้อระดับกลาง" เนื่องจากมีอยู่ค่อนข้าง จำกัด แม้ว่าจะมีปริมาณเล็กน้อยสำหรับเซลล์กล้ามเนื้อทุกประเภท

ใน myofibrils พบ desmin ในเส้น Z ดังนั้นจึงคิดว่าโปรตีนนี้มีส่วนช่วยในการหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อโดยทำงานที่จุดเชื่อมต่อของไมโอไฟบริลและเมมเบรนในพลาสมา

ภาพถ่ายการย้อมสีของโปรตีน Vimentin ซึ่งเป็นโปรตีนของเส้นใยกลางของเซลล์เยื่อบุผิวและเซลล์ตัวอ่อน (ที่มา: Viktoriia Kosach ผ่าน Wikimedia Commons)

ในทางกลับกัน vimentin เป็นโปรตีนที่มีอยู่ในเซลล์ mesenchymal เส้นใยกลางที่เกิดจากโปรตีนนี้มีความยืดหยุ่นและพบว่าต้านทานการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างหลายอย่างที่เกิดขึ้นระหว่างวัฏจักรของเซลล์

พบในไฟโบรบลาสต์เซลล์กล้ามเนื้อเรียบเซลล์เม็ดเลือดขาวและเซลล์อื่น ๆ ในระบบไหลเวียนโลหิตของสัตว์

เส้นใยระดับกลางคลาส IV: โปรตีนใยประสาท

มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า "neurofilaments" เส้นใยระดับกลางนี้ประกอบด้วยองค์ประกอบโครงสร้างพื้นฐานของแอกซอนของเซลล์ประสาทและเดนไดรต์ พวกเขามักจะเกี่ยวข้องกับ microtubules ที่ประกอบเป็นโครงสร้างเหล่านี้ด้วย

เซลล์ประสาทของสัตว์มีกระดูกสันหลังถูกแยกออกโดยระบุว่าเป็นโปรตีนสามเท่า 200, 150 และ 68 kDa ที่เข้าร่วมในการประกอบในหลอดทดลอง

พวกเขาแตกต่างจากเส้นใยกลางอื่น ๆ ตรงที่มีแขนด้านข้างเป็น "ส่วนต่อท้าย" ที่ยื่นออกมาจากรอบนอกของสิ่งเดียวกันและหน้าที่นั้นในปฏิสัมพันธ์ระหว่างเส้นใยที่อยู่ใกล้เคียงกับโครงสร้างอื่น ๆ

เซลล์ Glial ผลิตเส้นใยกลางชนิดพิเศษที่เรียกว่า glial intermediate filaments ซึ่งมีโครงสร้างที่แตกต่างจาก neurofilaments เนื่องจากประกอบด้วยโปรตีน 51 kDa เพียงตัวเดียวและมีคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน

ฟิลาเมนต์ระดับกลาง V: เส้นใยลามินานิวเคลียร์

ลามินาทั้งหมดที่เป็นส่วนหนึ่งของนิวคลีโอสเคลตันเป็นโปรตีนเส้นใยระดับกลาง เหล่านี้มีน้ำหนักโมเลกุลระหว่าง 60 ถึง 75 kDa และพบได้ในนิวเคลียสของเซลล์ยูคาริโอตทั้งหมด

สิ่งเหล่านี้มีความจำเป็นสำหรับการจัดระเบียบภายในของพื้นที่นิวเคลียร์และสำหรับการทำงานหลายอย่างของออร์แกเนลล์นี้จำเป็นสำหรับการดำรงอยู่ของยูคาริโอต

ฟิลาเมนต์ระดับกลาง VI: Nestinas

เส้นใยกลางประเภทนี้มีน้ำหนักประมาณ 200 kDa และส่วนใหญ่พบในเซลล์ต้นกำเนิดของระบบประสาทส่วนกลาง พวกเขาแสดงออกในระหว่างการพัฒนาเซลล์ประสาท

โรคที่เกี่ยวข้อง

มีหลายโรคในมนุษย์ที่เกี่ยวข้องกับเส้นใยกลาง

ในมะเร็งบางชนิดเช่นเนื้องอกมะเร็งหรือมะเร็งเต้านมตัวอย่างเช่นการแสดงออกร่วมกันของเส้นใยกลางของวิเมนตินและเคราตินนำไปสู่การสร้างความแตกต่างหรือการสลับกันของเซลล์เยื่อบุผิวและเซลล์เยื่อหุ้มเซลล์

ปรากฏการณ์นี้ได้รับการทดลองเพื่อเพิ่มกิจกรรมการอพยพและการแพร่กระจายของเซลล์มะเร็งซึ่งมีผลกระทบที่สำคัญต่อลักษณะกระบวนการแพร่กระจายของภาวะนี้

Eriksson et al. (2009) ทบทวนประเภทต่างๆของโรคและความสัมพันธ์กับการกลายพันธุ์เฉพาะในยีนที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของเส้นใยกลางทั้ง 6 ชนิด

โรคที่เกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์ของยีนที่เข้ารหัสเคราตินทั้งสองประเภท ได้แก่ epidermolysis bullosa, epidermolytic hyperkeratosis, corneal dystrophy, keratoderma และอื่น ๆ อีกมากมาย

เส้นใยกลางประเภท III มีส่วนเกี่ยวข้องกับ cardiomyopathies จำนวนมากและในโรคกล้ามเนื้อต่างๆส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับ dystrophies นอกจากนี้พวกเขายังรับผิดชอบต้อกระจกที่โดดเด่นและเส้นโลหิตตีบบางประเภท

กลุ่มอาการและความผิดปกติทางระบบประสาทหลายอย่างเกี่ยวข้องกับเส้นใยประเภท IV เช่นพาร์กินสัน ในทำนองเดียวกันข้อบกพร่องทางพันธุกรรมในเส้นใยประเภท V และ VI มีหน้าที่ในการพัฒนาโรคออโตโซมที่แตกต่างกันและเกี่ยวข้องกับการทำงานของนิวเคลียสของเซลล์

ตัวอย่างของสิ่งเหล่านี้ ได้แก่ Hutchinson-Gilford progeria syndrome, Emery-Dreifuss muscle dystrophy และอื่น ๆ

อ้างอิง

Anderton, BH (1981). เส้นใยกลาง: ตระกูลโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน วารสารการวิจัยกล้ามเนื้อและการเคลื่อนไหวของเซลล์, 2 (2), 141–166.
Eriksson, JE, Pallari, H. , Robert, D. , Eriksson, JE, Dechat, T. , Grin, B. , … Goldman, RD (2009) แนะนำเส้นใยกลาง: ตั้งแต่การค้นพบไปจนถึงโรค วารสารการสอบสวนทางคลินิก, 119 (7), 1763–1771
Fuchs, E. , & Weber, K. (1994). เส้นใยระดับกลาง: โครงสร้างพลวัตหน้าที่และโรค Annu รายได้ Biochem , 63, 345–382
Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT และ Seftor, REB (1996) บทบาทของเส้นใยกลางในการย้ายถิ่นการบุกรุกและการแพร่กระจาย บทวิจารณ์มะเร็งและการแพร่กระจาย, 15 (4), 507–525
Herrmann, H. , & Aebi, U. (2004). เส้นใยระดับกลาง: โครงสร้างโมเลกุลกลไกการประกอบและการรวมเข้ากับโครงนั่งร้านภายในเซลล์ที่แตกต่างกันตามหน้าที่ การทบทวนชีวเคมีประจำปี, 73 (1), 749–789
Herrmann, H. , & Aebi, U. (2016). เส้นใยกลาง: โครงสร้างและการประกอบ มุมมองของ Cold Spring Harbor ในชีววิทยา, 8, 1–22
McLean, I. , & Lane, B. (1995). ไส้กลางในโรค ความคิดเห็นปัจจุบันในชีววิทยาของเซลล์, 7 (1), 118–125
Steinert, P. , & Roop, D. (1988). ชีววิทยาระดับโมเลกุลและเซลล์ของเส้นใยระดับกลาง การทบทวนชีวเคมีประจำปี, 57 (1), 593–625
Steinert, P. , Jones, J. และ Goldman, R. (1984) เส้นใยกลาง วารสารชีววิทยาของเซลล์, 99 (1), 1–6.

เส้นใยระดับกลาง: โครงสร้างประเภทฟังก์ชัน - ชีววิทยา - 2026