الخيوط المتوسطة يبلغ قطرها حوالي 10 نانومتر، والتي هي وسيطة بين أقطار اثنين من العناصر الرئيسية الأخرى في الهيكل الخلوي، خيوط الأكتين (حوالي 7 نانومتر) والأنابيب الدقيقة (حوالي 25 نانومترا). وعلى النقيض من خيوط الأكتين والأنابيب الدقيقة، الخيوط المتوسطة لا تشارك مباشرة في تحركات الخلية. بدلا من ذلك، يبدو أنها تلعب دورا هيكلياً اساسياً من خلال توفير القوة الميكانيكية للخلايا والأنسجة.
بروتين الخيوط المتوسطة
في حين خيوط الأكتين والأنابيب الدقيقة هي البوليمرات لنوع واحد من البروتينات (الأكتين وتويولين، على التوالي)، وتتكون خيط متوسط مجموعة متنوعة من البروتينات التي يتم التعبير عنها في أنواع مختلفة من الخلايا. وقد تم تحديد أكثر من 50 بروتين مختلف في الخيوط المتوسطة وتصنيفها إلى ست مجموعات على أساس التشابه بين تسلسل الأحماض الأمينية . النوع الأول والثاني يتكون من مجموعتين من الكيراتين، التي تتألف من حوالي 15 البروتينات المختلفة، التي يتم التعبير عنها في الخلايا الظهارية لكل منهما. كل نوع من الخلايا الظهارية تحتوي نوع واحد على الأقل من (الحمضية) ونوع واحد من (محايدة / الأساسية) الكيراتين، التي تتبلمر معاً لتشكيل خيوط. يتم استخدام بعض من النوع الأول والثاني من الكيراتين (وتسمى كيراتين الصلبة) لإنتاج هياكل مثل الشعر والأظافر، وقرون. نوع اخر عن الكيراتين الأول والثاني هو (الكيراتين الناعم) وفيرة في سيتوبلازم الخلايا الظهارية، مع انواع الكيراتين المختلفة التي يجري التعبير عنها في مختلف أنواع الخلايا المتمايزة.
النوع الثالث من بروتينات الخيوط المتوسطة يشمل فيمنتين(vimentin)، التي وجدت في مجموعة متنوعة من أنواع مختلفة من الخلايا، بما في ذلك الخلايا الليفية، وخلايا العضلات الملساء، وخلايا الدم البيضاء. النوع الثالث يشمل بروتين آخر desmin، خصوصاً واضح في خلايا العضلات، حيث أنه يربط بين أقراص Z من افراد العناصر المتقلصة. الثالث من النوع الثالث من بروتين الخيوط المتوسطة على وجه التحديد في الخلايا الدبقية، ويتم التعبير عن الرابع في الخلايا العصبية في الجهاز العصبي .
وتشمل النوع الرابع من بروتينات الخيوط المتوسطة ثلاثة خيوط عصبية (NF) من البروتينات (المسمى NF-L، NF-M، وNF-H للضوء والمتوسطة والثقيلة، على التوالي). هذه البروتينات تشكل الخيوط المتوسط الرئيسية لأنواع عديدة من الخلايا العصبية الناضجة. أنها وفيرة وخصوصا في محاور الخلايا العصبية الحركية، ويعتقد أن تلعب دورا حاسما في دعم هذه العمليات الطويلة الرقيقة، والتي يمكن أن تمتد أكثر من متر في الطول. بروتين اخر من النوع الرابع (α-internexin) في مرحلة مبكرة من تطور الخلايا العصبية، وذلك قبل التعبير عن البروتينات خيط عصبي. نوع سادس واحد من بروتينات الخيوط المتوسطة (nestin) أوضح في وقت سابق خلال تطوير الخلايا العصبية في الخلايا الجذعية في الجهاز العصبي المركزي.
نوع خامس من بروتينات الخيوط المتوسطة هي lamins النووية، والتي توجد في معظم الخلايا حقيقية النواة. بدلا من أن تكون جزءا من الهيكل الخلوي، وlamins النووية هي مكونات الغلاف النووي . وهي تختلف أيضا من البروتينات خيوط وسيطة أخرى وذلك لأنها تجميع لتشكيل شبكه متعامدة الكامنة في الغشاء النووي. وعلى الرغم من تنوع كبير في حجم وتسلسل الأحماض الأمينية، والبروتينات المختلفة الخيوط المتوسطة تشترك في تنظيم هيكلية مشتركة . في كل من بروتينات خيوط وسيطة لديك مجال قضيب α حلزونية المركزي من حوالي 310 الأحماض الأمينية (350 الأحماض الأمينية في lamins النووية). ويحيط مجال هذا القضيب المركزي من المجالات الأمينو وكربوكسي، التي تختلف بين مختلف بروتينات الخيوط متوسطة في الحجم، تسلسل، وهيكل الثانوي. المجال قضيب α حلزونية يلعب دورا مركزيا في تجميع خيوط، في حين أن المجالات الرأس والذيل متغير يفترض تحديد وظائف محددة من البروتينات المختلفة للخيوط المتوسطة.
تجميع الخيوط المتوسطة
المرحلة الأولى من تجميع الخيوط هو تشكيل dimers التي يتم لف مجالات القضيب المركزية من سلسلتين ببتيد حول بعضها البعض في هيكل ملفوف لفائف، مماثلة لتلك التي شكلتها الميوسين الثاني السلاسل الثقيلة . وdimers يرتبطو بطريقة عكسي التوازي متداخلة لتشكيل tetramers، والتي يمكن تجميع نهاية لهذه الغاية لتشكيل خيط اولي . يحتوي على خيوط وسيطة النهائي حوالي ثمانية خيوط اولية تلتف حول بعضها البعض في هيكل ropelike. لأنه يتم تجميعها من tetramers متوازي، وطرفي الخيط يكون متوسط التعادل. ونتيجة لذلك، وعلى النقيض من خيوط الأكتين والأنابيب الدقيقة، الخيط المتوسط عديم الأقطاب. لم يكن لديهم نهاية سالبة وموجبة متميزة.
يتطلب تجميع خيوط التفاعلات بين أنواع معينة من بروتينات الخيوط المتوسطة. على سبيل المثال، خيوط الكيراتين يتم تجميع دائما من heterodimers التي تحتوي على نوع واحد أول ونوع واحد ثاني ببتيد. في المقابل، يمكن أن البروتينات النوع الثالث التجمع في خيوط تحتوي فقط على ببتيد واحد (على سبيل المثال، فيمنتين) أو تتكون من اثنين من البروتينات المختلفة النوع الثالث (على سبيل المثال، فيمنتين بالإضافة إلى desmin). والنوع الثالث من البروتينات لا، ومع ذلك، لتجميع بوليمرات مع keratins. بين بروتينات النوع الرابع، ويمكن α-internexin التجمع في خيوط من تلقاء نفسه، في حين تجمع بوليمرات من بروتينات الخيط العصبي الثلاث لتشكيل heteropolymers.
الخيوط المتوسطة عادة ما تكون أكثر استقرارا من خيوط الأكتين أو الأنابيب الدقيقة ولا يحمل السلوك الديناميكي المرتبطة بهذه العناصر الأخرى من الهيكل الخلوي (على سبيل المثال، treadmilling من خيوط الأكتين). ومع ذلك، في كثير من الأحيان تعديل بروتينات خيوط المتوسطة عن طريق الفسفرة، التي يمكن أن تنظم التجمع والتفكك داخل الخلية. وأوضح مثال على ذلك هو الفسفرة من lamins النووية ، مما يؤدي إلى تفكك الصفيحة النووية وانهيار المغلف النووي خلال الانقسام. الخيط المتوسط الهيولي، مثل فيمنتين، وفسفرته أيضا في الانقسام، والتي يمكن أن تؤدي إلى التفكيك وإعادة التنظيم في تقسيم الخلايا.
التنظيم داخل الخلايا من الخيوط المتوسطة
تشكل الخيوط المتوسطة شبكة معقدة في السيتوبلازم لمعظم الخلايا، وتمتد من حلقة محيطة بالنواة لغشاء البلازما . كلا الكيراتين وفيمنتين خيوط تتصل بالغلاف النووي، على ما يبدو لوضع وترسيخ النواة داخل الخلية. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للخيط متوسط الاتصال ليس فقط مع غشاء البلازما ولكن أيضا مع عناصر أخرى من الهيكل الخلوي، خيوط الأكتين والأنابيب الدقيقة. وبالتالي توفر خيط متوسط سقالة تدمج مكونات الهيكل الخلوي وتنظم الهيكل الداخلي للخلية. ترسو خيوط الكيراتين من الخلايا الظهارية بإحكام على غشاء البلازما في منطقتين من الاتصالات الخلوية، جسيم رابط و hemidesmosomes المتخصصة. Desmosomes هي تقاطعات بين الخلايا المجاورة، والذي يتم بوساطة الاتصالات خلية لخلية من البروتينات عبر الغشاء المتعلقة كادهيرين. من جانبهم الهيولي، وترتبط desmosomes مع لوحة كثيفة مميزة من البروتينات داخل الخلايا، والتي تعلق خيوط الكيراتين. وبوساطة هذه المرفقات التي كتبها desmoplakin، وهو عضو في عائلة من البروتينات تسمى بلاكينات التي تربط خيوط المتوسطة وربطها الهياكل الخلوية الأخرى. Hemidesmosomes هي تقاطعات مشابهة شكليا بين الخلايا الظهارية والنسيج الضام الكامنة، التي ترتبط خيوط الكيراتين من قبل مختلف أفراد الأسرة plakin (على سبيل المثال، plectin) إلى integrins. Desmosomes وhemidesmosomes بالتالي ترسيخ خيط متوسط إلى مناطق خلية لخلية وخلية التحتية الاتصال، على التوالي، على غرار مرفق من الهيكل الخلوي الأكتين إلى غشاء البلازما في تقاطعات الملتصقة والالتصاقات البؤرية. من المهم أن نلاحظ أن خيوط الكيراتين ترتكز على كلا الجانبين من desmosomes بمثابة صلة الميكانيكية بين الخلايا المجاورة في طبقة الظهارية، وبالتالي توفير الاستقرار الميكانيكية للأنسجة بأكملها.
بالإضافة إلى ربط خيط متوسط إلى وصلات الخلية، بعض بلاكينات تصل خيط متوسط إلى عناصر أخرى من الهيكل الخلوي. Plectin، على سبيل المثال، تربط خيوط الأكتين والأنابيب الدقيقة بالإضافة إلى خيط متوسط، لذلك يمكن أن توفر الجسور بين هذه المكونات هيكل الخلية . ويعتقد أن هذه الجسور لخيط متوسط اعتدت لاستقرار خيوط الأكتين والأنابيب الدقيقة، وبالتالي زيادة الاستقرار الميكانيكية للخلية.
نوعين من الخيوط المتوسطة، desmin وneurofilaments، تلعب الأدوار المتخصصة في خلايا العضلات والأعصاب، على التوالي. Desmin يربط أكتين الميوسين الفردية من الخلايا العضلية على حد سواء لبعضهم البعض وإلى غشاء البلازما، وبالتالي ربط تصرفات عناصر مقلص الفردية. Neurofilaments هي خيط متوسط الرئيسية في الخلايا العصبية الأكثر نضجا. أنها وفيرة وخصوصا في محاور طويلة من الخلايا العصبية الحركية، حيث يبدو أنها ترتكز على خيوط الأكتين والأنابيب الدقيقة من قبل أعضاء الخلايا العصبية للأسرة plakin. ويعتقد Neurofilaments أن تلعب دورا هاما في توفير الدعم الميكانيكي واستقرار عناصر أخرى من الهيكل الخلوي في هذه طويلة، ملحقات رقيقة من الخلايا العصبية.
وظائف الكيراتين والخيوط العصبية : أمراض الجلد والجهاز العصبي
وعلى الرغم من يعتقد الخيط المتوسط يوفير الدعم الهيكلي للخلية لفترة طويلة، وقد تم مؤخرا الحصول على دليل مباشر على وظيفتها فقط. بعض الخلايا عندما زرعت لم تشكل بروتينات الخيوط المتوسطة، مشيرا إلى أن هذه البروتينات ليست مطلوبة لنمو الخلايا في المختبر. وبالمثل، حقن الخلايا المستزرعة مع الأجسام المضادة ضد فيمنتين يعطل شبكات خيوط المتوسطة دون التأثير على نمو الخلايا أو حركة. لذلك، لقد كان يعتقد أن تشتد الحاجة لخيط متوسط لتعزيز الهيكل الخلوي للخلايا في أنسجة الكائنات متعددة الخلايا، حيث يتعرضون لمجموعة متنوعة من الضغوط الميكانيكية التي لا تؤثر على الخلايا في بيئة معزولة من طبق الزراعة .
وقدمت الأدلة التجريبية لمثل هذا الدور في الجسم الحي مالن خيالط متوسط لأول مرة في عام 1991 من قبل الدراسات في المختبر من إلين فوكس. استخدم هؤلاء الباحثون الفئران المعدلة وراثيا للتحقيق في الآثار في الجسم الحي للتعبير عطفرة لالحذالكيراتينين ترميز ببتياع التي عطلت تشكيل خيوط الكيراتين الطبيعية . تم إدخال هذا الجين الطافر قرنين في الفئران المعدلة وراثيا، حيث تم التعبير عن ذلك في الخلايا القاعدية من البشرة وعطلت تشكيل الهيكل الخلوي الكيراتين الطبيعي. وأدى ذلك إلى تطوير تشوهات جلدية خطيرة، بما في ذلك ظهور بثور نتيجة لتحلل الخلايا البشرة بعد الصدمة الميكانيكية خفيفة، مثل فرك الجلد. هكذا قدم تشوهات الجلد من هذه الفئران المعدلة وراثيا الدعم المباشر للدور المفترض للكيراتين في توفير القوة الميكانيكية للخلايا الظهارية في الأنسجة.
وأشار هذه التجارب أيضا على أساس الجزيئي للأمراض الجينية البشرية، انحلال البشرة الفقاعي البسيط (EBS). مثل الفئران المعدلة وراثيا التعبير عن جينات الكيراتين متحولة، المرضى الذين يعانون من هذا المرض تطوير بثور الجلد الناتجة عن تحلل الخلية بعد صدمة طفيفة. ودفع هذا التشابه دراسا الجينات الكيراتين في المرضى الذين يعانون EBS، مما يؤدي إلى المظاهرة التي يسببها EBS بواسطة الطفرات الجينية الكيراتين التي تتداخل مع التجمع الطبيعي من خيوط الكيراتين. وهكذا، وقد أثبتت كل من الدراسات التجريبية في الفئران المعدلة وراثيا والتحليل الجزيئي للأمراض الجينية البشرية دور الكيراتين في السماح للخلايا الجلد على تحمل الإجهاد الميكانيكي. وقد أظهرت الدراسات المستمرة أن الطفرات الكيراتين الأخرى هي المسؤولة عن العديد من الأمراض الجلدية ورثت الأخرى، التي تتميز مماثل هشاشة غير طبيعية من خلايا البشرة .
وقد بينت دراسات أخرى على الفئران المعدلة وراثيا تشوهات الخيوط العصبية في أمراض الخلايا العصبية الحركية، وخاصة العضلية التصلب الجانبي الضموري (ALS). (ALS) والمعروف باسم مرض لو جيهريج والمرض التي يعاني منها عالم الفيزياء الشهير ستيفن هوكينغ، والنتائج من الفقدان التدريجي للخلايا العصبية الحركية، وهذا بدوره يؤدي إلى ضمور العضلات، والشلل، والموت في نهاية المطاف. يتميز المرض وأنواع أخرى من مرض العصبون الحركي من تراكم والتجمع غير طبيعي للخيوط العصبية، مما يشير إلى حدوث اختلالات في خيط عصبي قد تسهم في هذه الأمراض. وتمشيا مع هذا الاحتمال، وقد تم العثور على overexpression من NF-L أو NF-H في الفئران المعدلة وراثيا أن يؤدي إلى تطوير حالة مماثلة لALS. على الرغم من ذلك أن الآلية يجب ان تستمر لتفهم، هذه التجارب تشير بوضوح تورط الخيوط العصبية في التسبب في الأمراض العصبية الحركية.