Neurofilament - Neurofilament - Wikipedia

Neurofilamenty (NF) jsou klasifikovány jako mezivlákna typu IV nalezen v cytoplazma z neurony. Jsou to proteinové polymery o průměru 10 nm a délce mnoha mikrometrů.^[1] Dohromady s mikrotubuly (~ 25 nm) a mikrofilamenta (7 nm), tvoří neuron cytoskelet. Předpokládá se, že fungují primárně k poskytování strukturální podpory pro axony a regulovat průměr axonu, který ovlivňuje rychlost nervového vedení. Proteiny, které tvoří neurofilamenty, jsou členy rodiny proteinů se středními vlákny, která je rozdělena do šesti typů na základě jejich genové organizace a proteinové struktury. Typy I a II jsou keratiny které jsou vyjádřeny v epitelu. Typ III obsahuje bílkoviny vimentin, desmin, periferie a gliální fibrilární kyselý protein (GFAP). Typ IV se skládá z neurofilamentových proteinů L, M, H a internexin. Typ V se skládá z jaderné lamináty a typ VI se skládá z proteinu nestin. Všechny geny pro přechodná vlákna typu IV sdílejí dva jedinečné introny nebyl nalezen v jiných sekvencích genů přechodných vláken, což naznačuje společný evoluční původ z jednoho primitivního genu typu IV.

Jakékoli proteinové vlákno, které se táhne v cytoplazmě nervové buňky, se také nazývá a neurofibril.^[2] Tento název se používá v neurofibrilární spleti některých neurodegenerativní onemocnění.

Neurofilamentové proteiny

Proteinové složení neurofilamentů se u různých živočišných kmenů velmi liší. Nejvíce je známo o savčích neurofilamentech. Historicky se předpokládalo, že savčí neurofilamenta jsou původně složena pouze ze tří proteinů nazývaných neurofilamentový protein L (nízkomolekulární; NFL ), M (střední molekulová hmotnost; NFM ) a H (s vysokou molekulovou hmotností; NFH ). Tyto proteiny byly objeveny ze studií axonální transport a jsou často označovány jako „neurofilamentový triplet“.^[3] Nyní je však jasné, že neurofilamenta také obsahují protein internexin^[4] a že neurofilamenty v periferním nervovém systému mohou také obsahovat proteinový periferin.^[5] (to se liší od periferie 2 to je vyjádřeno v sítnice ). Savčí neurofilamenta jsou tedy heteropolymery až pěti různých proteinů: NfL, NfM, NfH, internexin-alfa a periferní. Těchto pět neurofilamentových proteinů se může shromažďovat v různých kombinacích v různých typech nervových buněk a v různých stádiích vývoje. Přesné složení neurofilamentů v jakékoli dané nervové buňce závisí na relativních úrovních exprese neurofilamentových proteinů v buňce v té době. Například NfH exprese je nízká ve vývoji neuronů a zvyšuje se postnatálně v neuronech s myelinizovanými axony.^[6] V dospělém nervovém systému obsahují neurofilamenta v malých nemyelinizovaných axonech více periferinu a méně NfH, zatímco neurofilamenta ve velkých myelinovaných axonech obsahují více NfH a méně perifinu. Podjednotka středního vlákna typu III, vimentin, je exprimován ve vývoji neuronů a několika velmi neobvyklých neuronů u dospělých ve spojení s proteiny typu IV, jako je horizontální neurony z sítnice.

Tripletové proteiny jsou pojmenovány na základě jejich relativní velikosti (nízká, střední, vysoká). Zdánlivé molekulová hmotnost každého proteinu určeno SDS-PAGE je větší než hmotnost předpovídaná z amino sekvence. To je způsobeno anomální elektroforetickou migrací těchto proteinů a je zvláště extrémní pro neurofilamentové proteiny M a H kvůli jejich vysokému obsahu nabitých aminokyselin a rozsáhlé fosforylaci. Všechny tři proteiny neurofilamentových tripletů obsahují dlouhé úseky polypeptidové sekvence bohaté na kyselina glutamová a lysin zbytky a NfM a zejména NfH také obsahují více tandemově opakovaných serin fosforylační místa. Tato místa téměř všechna obsahují peptidový lysin-serin-prolin (KSP) a fosforylace se obvykle vyskytuje na axonálních a ne dendritických neurofilamentech. Lidský NfM má 13 těchto KSP míst, zatímco lidský NF-H je exprimován ze dvou alely jeden z nich produkuje 44 a druhý 45 opakování KSP.

Sestava a struktura neurofilamentu

Mozkové buňky krysy pěstované v tkáňová kultura a obarvené zeleně protilátkou proti neurofilamentové podjednotce NF-L, která odhaluje velký neuron. Kultura byla obarvena 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 intermediární vláknité proteiny mají všechny neurofilamentové proteiny společnou centrální alfa šroubovice oblast, známá jako prutová doména kvůli své terciární struktuře podobné tyči, obklopená amino terminál a karboxy terminál domény, které jsou z velké části nestrukturované. Tyčové domény dvou neurofilamentových proteinů dimerizují za vzniku alfa-helikálu svinutá cívka. Dva dimery se spojují střídavě antiparalelně a tvoří tetramer. Tento tetramer je považován za základní podjednotku (tj. Stavební blok) neurofilamentu. Tetramerové podjednotky se sdružují ze strany na stranu a vytvářejí vlákna o jednotkové délce, která pak hybridizují z jednoho konce na druhý, aby vytvořily zralý neurofilamentový polymer, ale přesná organizace těchto podjednotek v polymeru není známa, hlavně kvůli heterogennímu proteinu složení a neschopnost krystalizovat neurofilamenty nebo proteiny neurofilamentů. Strukturální modely obecně předpokládají osm tetramerů (32 neurofilamentových polypeptidů) v příčném řezu vlákny, ale měření lineární hustoty hmoty naznačují, že se to může lišit.

Amino-koncové domény neurofilamentových proteinů obsahují četná fosforylační místa a zdá se, že jsou důležité pro interakce podjednotek během sestavování vlákna. Karboxyterminální domény se zdají být vnitřně narušenými doménami, které postrádají alfa helix nebo beta list. Různé velikosti neurofilamentových proteinů jsou z velké části způsobeny rozdíly v délce karboxyterminálních domén. Tyto domény jsou bohaté na kyselé a bazické aminokyselinové zbytky. Karboxyterminální domény NFM a NFH jsou nejdelší a jsou značně modifikovány posttranslačními modifikacemi, jako je fosforylace a glykosylace in vivo. Radiálně vyčnívají z páteře vlákna a vytvářejí hustý kartáčový okraj vysoce nabitých a nestrukturovaných domén analogických štětinám na kartáčku na láhev. Tyto entropicky se rozpadající domény byly navrženy tak, aby definovaly zónu vylučování kolem každého vlákna, což účinně odděluje vlákna od jejich sousedů. Tímto způsobem karboxyterminální projekce maximalizují vlastnosti vyplňování prostoru polymerů neurofilamentu. Podle elektronového mikroskopu se tyto domény objevují jako projekce zvané boční zbraně, které se zdají být v kontaktu se sousedními vlákny.

Protilátka skvrna proti neurofilamentu (zelený) a Ki 67 (červená) v myši embryo 12,5 dne poté oplodnění. Buňky exprimující neurofilamenty jsou v hřbetní kořenová ganglia zatímco je zobrazeno zeleně proliferující buňky jsou v komorová zóna v neurální trubice a zbarvené červeně.

Funkce neurofilamentu

Mikrograf z bílá hmota (spodní část obrázku) a přední roh míchy zobrazeno motorické neurony s centrální chromatolýza.Neurofilament imunostain.

Neurofilamenta se nacházejí v obratlovců neurony v obzvláště vysokých koncentracích v axonech, kde jsou všechny srovnány paralelně podél dlouhé osy axonu a tvoří kontinuálně se překrývající pole. Bylo navrženo, aby fungovaly jako struktury vyplňující prostor, které zvětšují axonální průměr. Jejich příspěvek k průměru axonu je určen počtem neurofilament v axonu a jejich hustotou balení. Předpokládá se, že počet neurofilament v axonu je určen expresí neurofilamentového genu^[7] a axonální doprava. Hustota náplně vláken je určena jejich bočními rameny, která definují vzdálenost mezi sousedními vlákny. Předpokládá se, že fosforylace postranních ramen zvyšuje jejich roztažnost a zvětšuje rozestup mezi sousedními vlákny^[8] vazbou dvojmocných kationtů mezi postranními rameny sousedních vláken^[9][10]

Na počátku vývoje jsou axony úzké procesy, které obsahují relativně málo neurofilament. Ty axony, které se myelinizují, hromadí více neurofilament, což řídí expanzi jejich kalibru. Poté, co vyrostl axon a spojil se s ním cílová buňka, průměr axonu se může zvýšit až pětkrát.^[11] To je způsobeno zvýšením počtu neurofilamentů exportovaných z těla nervových buněk a zpomalením jejich rychlosti transportu. Ve zralých myelinizovaných axonech mohou být neurofilamenta nejhojnější cytoplazmatickou strukturou a mohou zabírat většinu axonální průřezové plochy. Například velký myelinizovaný axon může obsahovat tisíce neurofilamentů v jednom průřezu

Transport neurofilamentů

Kromě své strukturální role v axonech jsou neurofilamenty také nákladem axonální transport.^[3] Většina neurofilamentových proteinů v axonech je syntetizována v těle nervových buněk, kde se během asi 30 minut rychle shromažďují do neurofilamentových polymerů.^[12] Tyto sestavené neurofilamentové polymery jsou transportovány podél axonu dále mikrotubul stopy poháněné mikrotubulí motorické proteiny.^[13] Vlákna se pohybují obousměrně, tj. Jak ke špičce axonu (anterográdní), tak směrem k tělu buňky (retrográdní), ale čistý směr je anterográdní. Vlákna se pohybují rychlostí až 8 µm / s na krátkých časových stupnicích (sekundy nebo minuty), s průměrnými rychlostmi přibližně 1 µm / s.^[14] Průměrná rychlost na delších časových stupnicích (hodiny nebo dny) je však pomalá, protože pohyby jsou velmi časté, skládající se z krátkých sprintů přerušovaných dlouhými pauzami.^[15][16] Na dlouhých časových stupnicích se tedy neurofilamenta pohybují v pomalé složce axonálního transportu.

Klinické a výzkumné aplikace

Mnoho konkrétních protilátky k neurofilamentovým proteinům byly vyvinuty a jsou komerčně dostupné. Tyto protilátky lze použít k detekci neurofilamentových proteinů v buňkách a tkáních pomocí imunofluorescence mikroskopie nebo imunohistochemie. Tyto protilátky jsou široce používány k identifikaci neuronů a jejich procesů v histologické řezy a v tkáňová kultura. Nestinový protein se středním vláknem typu VI se exprimuje ve vývoji neuronů a glií. Nestin je považován za marker neuronálních kmenových buněk a přítomnost tohoto proteinu je široce používána k definování neurogeneze. Postupem vývoje se tento protein ztrácí.

Neurofilamentové protilátky se také běžně používají v diagnostice neuropatologie. Barvení těmito protilátkami může rozlišovat neurony (pozitivní na proteiny neurofilamentů) od glia (negativní na neurofilamentové proteiny).

Existuje také značný klinický zájem o použití neurofilamentových proteinů jako biomarkery poškození axonů u onemocnění postihujících centrální nervový systém^[17][18] Když se neurony nebo axony degenerují, proteiny neurofilamentů se uvolňují do krve nebo mozkomíšního moku. Imunologické testy neurofilamentových proteinů v mozkomíšním moku a plazmě tak mohou sloužit jako indikátory poškození axonů u neurologických poruch.^[19] NfL je užitečný marker pro sledování nemoci v Amyotrofní laterální skleróza,^[20] roztroušená skleróza,^[21] a více nedávno Huntingtonova choroba.^[22] Rovněž byl hodnocen jako prognostický marker funkčního výsledku po akutní ischemické cévní mozkové příhodě^[23]

Mutant myši s abnormalitami neurofilamentu fenotypy připomínající Amyotrofní laterální skleróza.^[24]

Viz také

• Bielschowsky skvrna

Reference