中間フィラメント：構造、タイプ、機能 - 生物学 - 2025

中間径フィラメントも（英語中間フィラメントの）「のIF」として文献で知られているが、細胞質不溶物が多真核生物の全ての細胞に存在する線維性タンパク質のファミリーです。

それらは細胞骨格の一部であり、これは主に細胞構造のサポートと、小胞輸送、細胞運動および変位などのさまざまな代謝および生理学的プロセスを担う細胞内繊維ネットワークです。

星状細胞の中間フィラメントの2つのタンパク質（ビメンチンとGFAP）の免疫蛍光顕微鏡検査（出典：ウィキメディア・コモンズ経由のGerryShaw）

微小管およびマイクロフィラメントとともに、中間フィラメントは、細胞内小器官の空間組織化、エンドサイトーシスおよびエキソサイトーシスのプロセス、ならびに細胞分裂および細胞間コミュニケーションのプロセスに参加します。

研究および記述された最初の中間フィラメントは、1930年代にX線回折によって構造が分析されたタンパク質の最初のタイプの1つであるケラチンでした。

しかし、中間フィラメントの概念は、1980年代にラザリドによって導入されました。ラザリドは、それらを不溶性と変性後にin vitroで再構築する能力を特徴とする複雑な「細胞空間の機械的インテグレーター」と表現しました。

それらは、微小管やマイクロフィラメントよりも柔軟なフィラメントであるため、多くの著者によって、動物細胞のストレス「緩衝」要素と見なされています。それらは細胞骨格に見られるだけでなく、核骨格の一部でもあります。

細胞骨格の他の繊維成分とは異なり、中間フィラメントは細胞移動のプロセスに直接関与せず、細胞の構造維持と機械的抵抗に機能します。

構造

出典：http://rsb.info.nih.gov/ij/images/

中間径フィラメントは、およそ10 nmの直径を持っています。これは、そのサイズが25〜7 nmのミオシンフィラメントとアクチンフィラメントに対応するサイズの間にあるため、その名前が付けられた構造上の特徴です。それぞれ。

それらは、球状タンパク質ポリマーである他の2種類の細胞骨格フィラメントと構造的に異なり、それらの構成単位は、一緒にクラスター化してロープのような構造を形成する、異なる長さのαらせん状繊維タンパク質です。

中間フィラメントを構成するすべてのタンパク質は、同じサイズの「コイル形成」セグメントの量が異なるαヘリックスまたは「ロープ」ドメインからなる、類似の分子組織を持っています。

このらせんドメインは、C末端にN末端非らせん「ヘッド」と非らせん「テール」が隣接しており、どちらもサイズとアミノ酸配列の両方が異なります。

これらの2つの端のシーケンス内には、既知の6種類の中間フィラメントに共通するコンセンサスモチーフがあります。

脊椎動物では、細胞質ゾル中間フィラメントタンパク質の「弦」ドメインは約310アミノ酸残基ですが、無脊椎動物および核のラミナの細胞質タンパク質の長さは約350アミノ酸です。

アセンブリ

中間フィラメントは、酵素活性を持たない「自己組織化」構造であり、細胞骨格の対応物（微小管およびマイクロフィラメント）とは区別されます。

これらの構造は、最初は繊維状タンパク質の四量体として組み立てられ、一価カチオンのみの影響下でそれらを構成します。

これらの四量体は長さが62 nmであり、それらの単量体は横方向に互いに結合して、非常に急速に発生するアセンブリのフェーズ1として知られる単位長さのフィラメント（UFL）を形成します。 。

UFLは長いフィラメントの前駆体であり、それらを構成する二量体は逆平行に互い違いに結合されているため、これらのユニットには2つの隣接ドメインを持つ中央ドメインがあり、そこから伸長のフェーズ2が発生します。 、他のUFLの縦方向の結合が発生する場所。

アセンブリのフェーズ3と呼ばれている間に、フィラメントの直径の径方向の圧縮が発生し、直径が約10 nmの成熟した中間フィラメントが生成されます。

特徴

中間フィラメントの機能は、考慮される細胞のタイプに大きく依存し、動物（ヒトを含む）の場合、それらの発現は組織固有の方法で調節されます。そのため、組織のタイプにも依存します。研究より。

上皮、筋肉、間葉およびグリア細胞およびニューロンには、それらが属する細胞の機能に応じて特殊化されたさまざまな種類のフィラメントがあります。

これらの機能の中で最も重要なのは、細胞の構造維持とさまざまな機械的ストレスへの耐性です。これらの構造には、細胞に加えられるさまざまな種類の力を緩和できる一定の弾性があるからです。

中間フィラメントの種類

中間フィラメントを構成するタンパク質は、化学的には異なりますが、配列の相同性（I、II、III、IV、V、VI）に応じて6つのクラスに分類される、繊維タンパク質の大きく不均一なファミリーに属しています。

あまり一般的ではありませんが、非常に特殊な条件下（発生、細胞の形質転換、成長など）で、さまざまな種類の細胞が複数のクラスの中間フィラメント形成タンパク質を共発現できます

クラスIおよびII中間フィラメント：酸性および塩基性ケラチン

ケラチンは中間径フィラメントのタンパク質の大部分を占めており、人間では中間径フィラメントの4分の3以上を占めています。

それらは40〜70 kDaで変化する分子量を有し、グリシンおよびセリン残基の含有量が高いことにより他の中間フィラメントタンパク質とは異なります。

それらは、等電点が酸性ケラチンでは4.9〜5.4、塩基性ケラチンでは6.1〜7.8であるため、酸性および塩基性ケラチンとして知られています。

これらの2つのクラスでは、約30種類のタンパク質が説明されており、特に上皮細胞に存在します。この場合、両方のタイプのタンパク質が「共重合」して複合フィラメントを形成します。

中間フィラメントケースIのケラチンの多くは、髪、爪、角、スパイク、爪などの構造物に見られますが、クラスIIのものは、細胞質ゾルに最も多く含まれています。

クラスIII中間フィラメント：デスミン/ビメンチンタイプのタンパク質

デスミンは53 kDaの酸性タンパク質で、リン酸化の程度に応じて、さまざまなバリアントがあります。

一部の著者は、それらの存在が少量ではあるがすべてのタイプの筋細胞にかなり制限されているため、デスミンフィラメントを「中間筋フィラメント」と呼んでいます。

筋原線維では、デスミンがZ線に含まれているため、このタンパク質が筋原線維と原形質膜の接合部で機能することにより、筋線維の収縮機能に寄与していると考えられています。

上皮細胞および胚細胞の中間フィラメントのタンパク質であるタンパク質ビメンチンの染色の写真（出典：ウィキメディア・コモンズを介してViktoriia Kosach）

次に、ビメンチンは間葉系細胞に存在するタンパク質です。このタンパク質によって形成される中間フィラメントは柔軟性があり、細胞周期中に発生する構造変化の多くに抵抗することがわかっています。

動物の循環系の線維芽細胞、平滑筋細胞、白血球、その他の細胞に含まれています。

クラスIV中間フィラメント：ニューロフィラメントタンパク質

「ニューロフィラメント」としても知られるこのクラスの中間フィラメントは、ニューロンの軸索と樹状突起の基本的な構造要素の1つを構成します。それらはしばしばこれらの構造を構成する微小管とも関連しています。

脊椎動物のニューロフィラメントが分離され、in vitroでのアセンブリに参加するのは200、150、68 kDaのタンパク質のトリプレットであることが判明しました。

それらは、それらの周辺から突出し、隣接するフィラメントと他の構造との間の相互作用において機能する「付属物」として側方アームを有するという点で他の中間フィラメントとは異なる。

グリア細胞は、グリア中間径フィラメントと呼ばれる特別なタイプの中間径フィラメントを生成します。これらは、単一の51 kDaタンパク質で構成され、異なる物理化学的特性を持つという点で、ニューロフィラメントと構造的に異なります。

中間フィラメントクラスV：核ラミナフィラメント

核骨格の一部であるすべての薄層は、実際には中間径フィラメントタンパク質です。これらは分子量が60〜75 kDaで、すべての真核細胞の核に見られます。

それらは核領域の内部組織にとって、そして真核生物の存在にとって不可欠なこのオルガネラの機能の多くにとって不可欠です。

中間フィラメントクラスVI：Nestinas

このタイプの中間フィラメントの重量は約200 kDaで、主に中枢神経系の幹細胞に見られます。それらはニューロンの発達中に発現します。

関連する病理

人間には中間径フィラメントに関連する複数の疾患があります。

例えば、悪性黒色腫または乳癌などのいくつかのタイプの癌では、ビメンチンおよびケラチンの中間フィラメントの同時発現は、上皮細胞および間葉細胞の分化または相互変換をもたらす。

この現象は、癌細胞の移動性および浸潤性の活性を増加させることが実験的に示されており、これは、この状態に特徴的な転移過程に重要な意味を持っています。

Eriksson et al。（2009）は、さまざまな種類の疾患と、6種類の中間径フィラメントの形成に関与する遺伝子の特定の変異との関係をレビューしています。

2種類のケラチンをコードする遺伝子の変異に関連する疾患は、表皮水疱症、表皮溶解性角質増殖症、角膜ジストロフィー、角膜皮膚炎などです。

タイプIII中間フィラメントは、多くの心筋症と、主にジストロフィーに関連するさまざまな筋疾患に関与しています。さらに、彼らはまた、優性白内障といくつかのタイプの硬化症の原因となります。

多くの神経学的症候群や障害は、パーキンソン病などのタイプIVフィラメントに関連しています。同様に、V型およびVI型フィラメントの遺伝的欠陥は、さまざまな常染色体病の発症の原因であり、細胞核の機能に関連しています。

これらの例は、とりわけ、ハッチンソン・ギルフォード早老症候群、エメリー・ドライフス筋ジストロフィーです。

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