Neurofilament - Neurofilament

Neurofilamenta ( NF ) jsou klasifikovány jako typ IV intermediální filamenta nalezené v cytoplasmě z neuronů . Jsou to proteinové polymery o průměru 10 nm a délce mnoha mikrometrů. Spolu s mikrotubuly (~ 25 nm) a mikrofilamenty (7 nm) tvoří neuronální cytoskelet . Předpokládá se, že fungují především k zajištění strukturální podpory axonů a k regulaci průměru axonů, což ovlivňuje rychlost vedení nervu . Proteiny, které tvoří neurofilamenty, jsou členy rodiny proteinů přechodných vláken, která je rozdělena do šesti typů na základě jejich genové organizace a struktury proteinů. Typy I a II jsou keratiny, které jsou exprimovány v epitelu. Typ III obsahuje proteiny vimentin , desmin , periferin a gliový fibrilární kyselý protein (GFAP). Typ IV se skládá z neurofilních proteinů L, M, H a internexinu . Typ V se skládá z jaderných laminátů a typ VI se skládá z proteinu nestinu . Geny intermediárních filamentů typu IV sdílejí dva jedinečné introny, které se nenacházejí v jiných genových sekvencích intermediárních filament, což naznačuje společný evoluční původ z jednoho primitivního genu typu IV.

Jakékoli proteinové vlákno, které se rozprostírá v cytoplazmě nervové buňky, se také nazývá neurofibril . Tento název se používá v neurofibrilárních spleti některých neurodegenerativních onemocnění .

Neurofilamentové proteiny

Proteinové složení neurofilament se v různých živočišných kmenech velmi liší. Nejvíce je známo o savčích neurofilamentech. Historicky se původně předpokládalo, že savčí neurofilamenta jsou složena pouze ze tří proteinů nazývaných neurofilamentový protein L (nízká molekulová hmotnost; NFL ), M (střední molekulová hmotnost; NFM ) a H (vysoká molekulová hmotnost; NFH ). Tyto proteiny byly objeveny ve studiích axonálního transportu a jsou často označovány jako „triplet neurofilamentu“. Nyní je však zřejmé, že neurofilamenty také obsahují protein internexin a že neurofilamenty v periferním nervovém systému mohou také obsahovat proteinový periferin. (to se liší od periferinu 2, který je exprimován v sítnici ). Savčí neurofilamenta jsou tedy heteropolymery až pěti různých proteinů: NfL, NfM, NfH, internexin-alfa a periferin. Těchto pět neurofilamentových proteinů se může shromáždit v různých kombinacích v různých typech nervových buněk a v různých fázích vývoje. Přesné složení neurofilamentů v jakékoli dané nervové buňce závisí na relativních hladinách exprese proteinů neurofilamentu v buňce v té době. Exprese NfH je například nízká ve vyvíjejících se neuronech a postnatálně se zvyšuje v neuronech s myelinizovanými axony. V dospělém nervovém systému obsahují neurofilamenty v malých nemyelinizovaných axonech více periferinu a méně NfH, zatímco neurofilamenty ve velkých myelinizovaných axonech obsahují více NfH a méně periferinu. Typ III meziprodukt vlákno podjednotky, vimentin , je vyjádřena v rozvojových neuronů a několik velmi neobvyklých neuronů u dospělých v souvislosti s typem IV proteiny, jako jsou horizontální neuronů na sítnici .

Tripletové proteiny jsou pojmenovány na základě jejich relativní velikosti (nízká, střední, vysoká). Zdánlivá molekulová hmotnost každého proteinu stanovená pomocí SDS-PAGE je větší než hmotnost předpovězená z aminokyselinové sekvence. To je způsobeno anomální elektroforetickou migrací těchto proteinů a je obzvláště extrémní pro neurofilamentové proteiny M a H kvůli jejich vysokému obsahu nabitých aminokyselin a rozsáhlé fosforylaci. Všechny tři neurofilamentové tripletové proteiny obsahují dlouhé úseky polypeptidové sekvence bohaté na zbytky kyseliny glutamové a lysinu a NfM a zejména NfH také obsahují více tandemově opakovaných míst serinové fosforylace. Tato místa téměř všechna obsahují peptid lysin-serin-prolin (KSP) a fosforylace se normálně nachází na axonálních a ne dendritických neurofilamentech. Lidský NfM má 13 z těchto míst KSP, zatímco lidský NF-H je exprimován ze dvou alel, z nichž jedna produkuje 44 a druhá 45 opakování KSP.

Sestava a struktura neurofilamentu

Krysí mozkové buňky pěstované v tkáňové kultuře a obarvené zeleně protilátkou proti neurofilamentové podjednotce NF-L, která odhaluje velký neuron. Kultura byla barvena červeně na alfa-internexin, který se v této kultuře nachází v neuronálních kmenových buňkách obklopujících velký neuron. Obrázek s laskavým svolením EnCor Biotechnology Inc.

Stejně jako ostatní meziproduktové filamentové proteiny, všechny neurofilamentové proteiny sdílejí společnou centrální alfa šroubovicovou oblast, známou jako tyčová doména, protože má tyčinkovitou terciární strukturu, lemovanou amino koncovými a karboxy koncovými doménami, které jsou do značné míry nestrukturované. Tyčové domény dvou neurofilamentových proteinů dimerizují za vzniku alfa-šroubovicové vinuté cívky . Dva dimery se spojují střídavě antiparalelně a vytvářejí tetramer. Tento tetramer je považován za základní podjednotku (tj. Stavební blok) neurofilamentu. Tetramerové podjednotky sdružují ze strany na stranu a vytvářejí jednotková vlákna, která pak žíhají end-to-end za vzniku zralého polymeru neurofilamentu, ale přesná organizace těchto podjednotek v polymeru není známa, a to především kvůli heterogennímu proteinu složení a neschopnost krystalizovat neurofilamenty nebo neurofilamentové proteiny. Strukturální modely obecně předpokládají osm tetramerů (32 neurofilamentových polypeptidů) v příčném řezu vlákna, ale měření lineární hmotnostní hustoty naznačují, že se to může lišit.

Aminoterminální domény neurofilamentových proteinů obsahují četná fosforylační místa a zdají se být důležité pro interakce podjednotek během skládání filamentu. Karboxylové koncové domény se zdají být vnitřně neuspořádanými doménami, kterým chybí alfa šroubovice nebo beta list. Různé velikosti proteinů neurofilamentu jsou do značné míry způsobeny rozdíly v délce koncových domén karboxy. Tyto domény jsou bohaté na kyselé a zásadité aminokyselinové zbytky. Karboxy-koncové domény NFM a NFH jsou nejdelší a jsou rozsáhle modifikovány posttranslačními modifikacemi, jako je fosforylace a glykosylace in vivo. Radiálně vyčnívají z páteře vlákna a vytvářejí hustý okraj štětce vysoce nabitých a nestrukturovaných domén analogicky se štětinami na kartáči na lahve. Tyto entropicky bičující domény byly navrženy tak, aby definovaly zónu vyloučení kolem každého vlákna, která účinně odděluje vlákna od jejich sousedů. Tímto způsobem karboxylové koncové výstupky maximalizují vlastnosti vyplňující prostor neurofilamentových polymerů. Elektronovou mikroskopií se tyto domény objevují jako projekce zvané boční ramena, která se zdají být v kontaktu se sousedními vlákny.

Protilátkové barvení proti neurofilamentu (zelené) a Ki 67 (červené) v myším embryu 12,5 dne po oplodnění . Buňky exprimující neurofilamenta jsou v gangliích hřbetních kořenů znázorněny zeleně, zatímco proliferující buňky jsou v komorové zóně v nervové trubici a jsou zbarveny červeně.

Funkce neurofilamentu

Mikrofotografie z bílé hmoty (dole na obrázku) a předním rohu míchy ukazovat motorických neuronů s centrální chromatolysis .Neurofilament immunostain .

Neurofilamenty se nacházejí v neuronech obratlovců ve zvláště vysokých koncentracích v axonech, kde jsou všechny zarovnány rovnoběžně podél dlouhé osy axonu a tvoří souvisle se překrývající pole. Byly navrženy tak, aby fungovaly jako struktury vyplňující prostor, které zvětšují průměr axonů. Jejich příspěvek k průměru axonu je určen počtem neurofilamentů v axonu a jejich hustotou balení. Předpokládá se, že počet neurofilamentů v axonu je určen expresí genu neurofilamentu a axonálním transportem. Hustota balení filamentů je určena jejich postranními rameny, která definují vzdálenost mezi sousedními filamenty. Předpokládá se, že fosforylace postranních ramen zvyšuje jejich roztažnost a zvyšuje vzdálenost mezi sousedními vlákny vazbou dvojmocných kationtů mezi postranními rameny sousedních vláken

Na počátku vývoje jsou axony úzké procesy, které obsahují relativně málo neurofilamentů. Tyto axony, které se stanou myelinizovanými, hromadí více neurofilament, což pohání expanzi jejich kalibru. Poté, co axon naroste a spojí se s cílovou buňkou , může se průměr axonu zvětšit až pětinásobně. To je způsobeno zvýšením počtu neurofilamentů exportovaných z těla nervových buněk a zpomalením jejich transportu. U dospělých myelinizovaných axonů mohou být neurofilamenty jedinou nejhojnější cytoplazmatickou strukturou a mohou zabírat většinu axonální oblasti průřezu. Například velký myelinizovaný axon může obsahovat tisíce neurofilament v jednom průřezu

Transport neurofilamentu

Kromě své strukturální role v axonech jsou neurofilamenty také nákladem axonálního transportu . Většina neurofilamentových proteinů v axonech je syntetizována v těle nervových buněk, kde se během přibližně 30 minut rychle shromáždí do polymerů neurofilamentu. Tyto sestavené neurofilamentové polymery jsou transportovány podél axonu na stopách mikrotubulů poháněných mikrotubulovými motorickými proteiny . Vlákna se pohybují obousměrně, tj. Jak ke špičce axonu (anterográdní), tak k tělu buňky (retrográdní), ale čistý směr je anterográdní. Vlákna se pohybují rychlostí až 8 µm/s v krátkých časových měřítcích (sekundy nebo minuty), s průměrnými rychlostmi přibližně 1 µm/s. Průměrná rychlost na delších časových stupnicích (hodiny nebo dny) je však pomalá, protože pohyby jsou velmi řídké, skládající se z krátkých sprintů přerušovaných dlouhými pauzami. Neurofilamenty se tedy v dlouhodobých měřítcích pohybují v pomalé složce axonálního transportu.

Klinické a výzkumné aplikace

Byla vyvinuta řada specifických protilátek proti proteinům neurofilamentu, které jsou komerčně dostupné. Tyto protilátky lze použít k detekci proteinů neurofilamentu v buňkách a tkáních pomocí imunofluorescenční mikroskopie nebo imunohistochemie . Takové protilátky se široce používají k identifikaci neuronů a jejich procesů v histologických řezech a v tkáňové kultuře . Protein Nestin meziproduktu filamentu typu VI je exprimován ve vyvíjejících se neuronech a glii. Nestin je považován za marker neuronálních kmenových buněk a přítomnost tohoto proteinu je široce používána k definování neurogeneze . Tento protein se během vývoje ztrácí.

Protilátky proti neurofilamentu se také běžně používají v diagnostické neuropatologii . Barvení těmito protilátkami může odlišit neurony (pozitivní na neurofilamentové proteiny) od glia (negativní na neurofilamentové proteiny).

Existuje také značný klinický zájem o použití proteinů neurofilamentu jako biomarkerů poškození axonů při onemocněních postihujících centrální nervový systém Když degenerují neurony nebo axony, proteiny neurofilamentu se uvolňují do krve nebo mozkomíšního moku. Imunologické testy proteinů neurofilamentu v mozkomíšním moku a plazmě mohou tedy sloužit jako indikátory poškození axonů při neurologických poruchách. NfL je užitečný marker pro sledování onemocnění u amyotrofické laterální sklerózy , roztroušené sklerózy a nověji Huntingtonovy choroby . Byl také hodnocen jako prognostický marker funkčního výsledku po akutní ischemické cévní mozkové příhodě

Mutantní myši s abnormalitami neurofilamentu mají fenotypy připomínající amyotrofickou laterální sklerózu .

Viz také

• Bielschowsky skvrna

Reference