FILAMENTI INTERMEDI: STRUTTURA, TIPI, FUNZIONI - BIOLOGIA

I filamenti intermedi , noti anche in letteratura come "IF" (dei filamenti intermedi inglesi), sono una famiglia di proteine fibrose citosoliche insolubili presenti in tutte le cellule degli eucarioti multicellulari.

Fanno parte del citoscheletro, che è una rete filamentosa intracellulare che è principalmente responsabile del supporto della struttura cellulare e di vari processi metabolici e fisiologici come il trasporto delle vescicole, il movimento e lo spostamento delle cellule, ecc.

Microscopia a immunofluorescenza di due proteine dei filamenti intermedi degli astrociti (Vimentin e GFAP) (Fonte: GerryShaw via Wikimedia Commons)

Insieme ai microtubuli e ai microfilamenti, i filamenti intermedi partecipano all'organizzazione spaziale degli organelli intracellulari, ai processi di endocitosi ed esocitosi e anche ai processi di divisione cellulare e comunicazione intercellulare.

I primi filamenti intermedi da studiare e descrivere furono le cheratine, uno dei primi tipi di proteine la cui struttura fu analizzata dalla diffrazione di raggi X negli anni '30.

Il concetto di filamenti intermedi, invece, è stato introdotto negli anni '80 da Lazarides, che li ha descritti come complessi "integratori meccanici dello spazio cellulare", caratterizzati dalla loro insolubilità e dalla loro capacità di riassemblarsi in vitro dopo la denaturazione.

Sono considerati da molti autori come elementi "tampone" dello stress per le cellule animali, poiché sono filamenti più flessibili dei microtubuli e dei microfilamenti. Non si trovano solo nel citoscheletro, ma fanno anche parte del nucleoscheletro.

A differenza degli altri componenti fibrosi del citoscheletro, i filamenti intermedi non partecipano direttamente ai processi di mobilità cellulare, ma piuttosto funzionano nel mantenimento strutturale e nella resistenza meccanica delle cellule.

Struttura

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

I filamenti intermedi hanno un diametro approssimativo di 10 nm, caratteristica strutturale per la quale sono stati nominati, poiché la loro dimensione è compresa tra le dimensioni corrispondenti ai filamenti di miosina e actina, che sono comprese tra 25 e 7 nm. rispettivamente.

Differiscono strutturalmente dagli altri due tipi di filamenti citoscheletrici, che sono polimeri di proteine globulari, in quanto le loro unità costituenti sono proteine α-elicoidali fibrose distinte e di lunga lunghezza che si raggruppano insieme per formare strutture simili a funi.

Tutte le proteine che compongono i filamenti intermedi hanno un'organizzazione molecolare simile, costituita da un dominio α-elicoidale o "a corda" che ha diverse quantità di segmenti "a spirale" della stessa dimensione.

Questo dominio elicoidale è affiancato da una "testa" non elicoidale N-terminale e una "coda" non elicoidale all'estremità C-terminale, che variano sia per dimensione che per sequenza amminoacidica.

All'interno della sequenza di queste due estremità ci sono i motivi di consenso comuni ai 6 tipi di filamenti intermedi noti.

Nei vertebrati, il dominio "corda" delle proteine citosoliche dei filamenti intermedi è di circa 310 residui di amminoacidi, mentre le proteine citosoliche degli invertebrati e delle lamine nucleari hanno una lunghezza di circa 350 amminoacidi.

montaggio

I filamenti intermedi sono strutture "autoassemblanti" prive di attività enzimatica, che le differenzia anche dalle loro controparti citoscheletriche (microtubuli e microfilamenti).

Queste strutture vengono inizialmente assemblate come tetrameri delle proteine filamentose che le compongono sotto l'influenza solo di cationi monovalenti.

Questi tetrameri sono lunghi 62 nm ei loro monomeri si associano tra loro lateralmente per formare filamenti di lunghezza unitaria (UFL), noti come fase 1 di assemblaggio, che avviene molto rapidamente. .

Gli UFL sono i precursori dei filamenti lunghi e, poiché i dimeri che li compongono sono uniti tra loro in modo antiparallelo e sfalsato, queste unità hanno un dominio centrale con due domini fiancheggianti attraverso i quali avviene la fase 2 di allungamento. , dove avviene l'unione longitudinale di altri UFL.

Durante quella che è stata definita la fase 3 dell'assemblaggio, avviene la compattazione radiale del diametro dei filamenti, che produce i filamenti intermedi maturi di circa 10 nm di diametro.

Caratteristiche

Le funzioni dei filamenti intermedi dipendono notevolmente dal tipo di cellula considerata e, nel caso degli animali (compreso l'uomo), la loro espressione è regolata in modo tessuto-specifico, motivo per cui dipende anche dal tipo di tessuto che in studio.

Epiteli, muscoli, cellule mesenchimali e gliali e neuroni hanno diversi tipi di filamenti, specializzati in base alla funzione delle cellule a cui appartengono.

Tra queste funzioni, le più importanti sono il mantenimento strutturale delle cellule e la resistenza a diverse sollecitazioni meccaniche, poiché queste strutture hanno una certa elasticità che consente loro di attutire diversi tipi di forze imposte alle cellule.

Tipi di filamenti intermedi

Le proteine che compongono i filamenti intermedi appartengono ad una grande ed eterogenea famiglia di proteine filamentose chimicamente differenti ma che si distinguono in sei classi in base alla loro omologia di sequenza (I, II, III, IV, V e VI).

Sebbene non sia molto comune, diversi tipi di cellule, in condizioni molto particolari (sviluppo, trasformazione cellulare, crescita, ecc.) Possono co-esprimere più di una classe di proteine che formano filamenti intermedi

Filamenti intermedi di classe I e II: cheratine acide e basiche

Le cheratine rappresentano la maggior parte delle proteine nei filamenti intermedi e, nell'uomo, rappresentano più di tre quarti dei filamenti intermedi.

Hanno pesi molecolari che variano tra 40 e 70 kDa e si differenziano dalle altre proteine dei filamenti intermedi per il loro alto contenuto di residui di glicina e serina.

Sono note come cheratine acide e basiche per via dei loro punti isoelettrici, che sono compresi tra 4,9 e 5,4 per le cheratine acide e tra 6,1 e 7,8 per quelle basiche.

In queste due classi sono state descritte circa 30 proteine presenti soprattutto nelle cellule epiteliali, dove entrambi i tipi di proteine "copolimerizzano" e formano filamenti composti.

Molte delle cheratine del caso I del filamento intermedio si trovano in strutture come capelli, unghie, corna, punte e artigli, mentre quelle di classe II sono le più abbondanti nel citosol.

Filamenti intermedi di classe III: proteine tipo desmina / vimentina

La desmina è una proteina acida da 53 kDa che, a seconda del suo grado di fosforilazione, ha diverse varianti.

Alcuni autori hanno anche chiamato i filamenti di desmina "filamenti muscolari intermedi", poiché la loro presenza è piuttosto limitata, anche se in piccole quantità, a tutti i tipi di cellule muscolari.

Nelle miofibrille, la desmina si trova nella linea Z, quindi si pensa che questa proteina contribuisca alle funzioni contrattili delle fibre muscolari funzionando alla giunzione delle miofibrille e della membrana plasmatica.

Fotografia della colorazione della proteina Vimentina, una proteina dei filamenti intermedi delle cellule epiteliali ed embrionali (Fonte: Viktoriia Kosach tramite Wikimedia Commons)

A sua volta, la vimentina è una proteina presente nelle cellule mesenchimali. I filamenti intermedi formati da questa proteina sono flessibili e si è scoperto che resistono a molti dei cambiamenti conformazionali che si verificano durante il ciclo cellulare.

Si trova nei fibroblasti, nelle cellule muscolari lisce, nei globuli bianchi e in altre cellule del sistema circolatorio degli animali.

Filamenti intermedi di classe IV: proteine dei neurofilamenti

Conosciuta anche come "neurofilamenti", questa classe di filamenti intermedi comprende uno degli elementi strutturali fondamentali degli assoni e dei dendriti neuronali; sono spesso associati ai microtubuli che compongono anche queste strutture.

I neurofilamenti di animali vertebrati sono stati isolati, determinando che si tratta di una tripletta di proteine di 200, 150 e 68 kDa che partecipano all'assemblaggio in vitro.

Differiscono dagli altri filamenti intermedi in quanto hanno bracci laterali come "appendici" che sporgono dalla loro periferia e che funzionano nell'interazione tra filamenti vicini e altre strutture.

Le cellule gliali producono un tipo speciale di filamenti intermedi noti come filamenti intermedi gliali, che differiscono strutturalmente dai neurofilamenti in quanto sono composti da una singola proteina da 51 kDa e hanno proprietà fisico-chimiche diverse.

Filamento intermedio classe V: filamenti di lamina nucleare

Tutte le lamine che fanno parte del nucleoscheletro sono in realtà proteine dei filamenti intermedi. Questi hanno un peso molecolare compreso tra 60 e 75 kDa e si trovano nei nuclei di tutte le cellule eucariotiche.

Sono essenziali per l'organizzazione interna delle regioni nucleari e per molte delle funzioni di questo organello essenziali per l'esistenza degli eucarioti.

Filamento intermedio classe VI: Nestinas

Questo tipo di filamento intermedio pesa circa 200 kDa e si trova prevalentemente nelle cellule staminali del sistema nervoso centrale. Sono espressi durante lo sviluppo neuronale.

Patologie correlate

Ci sono più malattie negli esseri umani che sono correlate ai filamenti intermedi.

In alcuni tipi di cancro, come ad esempio melanomi maligni o carcinomi mammari, la coespressione di filamenti intermedi di vimentina e cheratina porta alla differenziazione o interconversione delle cellule epiteliali e mesenchimali.

Questo fenomeno ha dimostrato sperimentalmente di aumentare l'attività migratoria e invasiva delle cellule tumorali, che ha importanti implicazioni per i processi metastatici caratteristici di questa condizione.

Eriksson et al. (2009) esaminano i diversi tipi di malattie e la loro relazione con mutazioni specifiche nei geni coinvolti nella formazione dei sei tipi di filamenti intermedi.

Le malattie correlate alle mutazioni nei geni che codificano i due tipi di cheratina sono epidermolisi bollosa, ipercheratosi epidermolitica, distrofia corneale, cheratoderma e molte altre.

I filamenti intermedi di tipo III sono coinvolti in numerose cardiomiopatie e in diverse patologie muscolari principalmente legate alle distrofie. Inoltre, sono anche responsabili della cataratta dominante e di alcuni tipi di sclerosi.

Molte sindromi e disturbi neurologici sono associati ai filamenti di tipo IV, come il Parkinson. Allo stesso modo, i difetti genetici nei filamenti di tipo V e VI sono responsabili dello sviluppo di diverse malattie autosomiche e legate al funzionamento del nucleo cellulare.

Esempi di questi sono la sindrome della progeria di Hutchinson-Gilford, la distrofia muscolare di Emery-Dreifuss, tra gli altri.

Riferimenti

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