После завершения в 1970-е гг. периода накопления классификационной информации, и вплоть до начала периода технических достижений 1990-х гг., выяснение функциональной роли белков промежуточных филаментов происходило медленными темпами.
В 1990-е гг. были разработаны автоматические и быстрые методы секвенирования ДНК, новые приемы микроскопических исследований гистологических препаратов и прижизненных наблюдений за клетками. С установлением причастности дефектных белков промежуточных филаментов к развитию патологических состояний был сделан существенный шаг вперед.
Все возрастающее количество исследований с использованием техники прижизненных наблюдений, особенно за многослойными клеточными образцами, переносит нас в другую эру клеточной биологии, в которую оказывается возможным лучше понять функциональный аспект динамики белков цитоскелета.
Что дальше? Ответ на этот вопрос в значительной мере определяется этими новыми методическими приемами. Необходимо исследовать кинетику промежуточных филаментов в функционирующих клетках и получить больше сведений о ее регуляции на тканевом уровне. Лишь тогда мы начнем понимать, как промежуточные филаменты, которые возникли как средство повышения прочности клеток, могут менять их функции и экспрессию генов, когда этого требует внешнее окружение в процессе нормального развития или при патологии.
Информация, которая получается из экспериментов с клетками, растущими в чашках Петри, мало что дает для понимания природы клеточной прочности. Микроскопические методы исследования и техника изучения многослойных клеточных агрегатов должны совершенствоваться так, чтобы оказалось возможным с высоким разрешением вести наблюдение за клетками, находящимися в составе живых органов, что позволяет избежать артефактов фиксации.
В настоящее время развернулась оживленная дискуссия относительно функций простых кератинов эпителия. Экспрессия К8/К18 оказывает защитное действие на клетки и ткани при клеточном стрессе различной природы, от воздействия токсинов до апоптоза, и у человека мутации в этих белках служат фактором риска развития некоторых заболеваний.
Сейчас начинают выявляться пути передачи сигнала с участием промежуточных филаментов, однако вопрос о том, можно ли в конце концов все виды стресса свести к механическими эффектам (что очевидно для кератинов в кератиноцитах тканей, выполняющих барьерную функцию), еще остается дискуссионным. Промежуточные филаменты также защищают клетки от осмотического шока, и не исключено, что сигналы токсического стресса, передаваемые через промежуточные филаменты, приводят к подавлению метаболизма, инактивации ионных насосов мембран, и оказывают на клетки механический эффект.
Распределение различных типов промежуточных филаментов в культивируемых фибробластах.
Иммунофлуоресцентное окрашивание на виментин и ламин В. Виментин находится в цитоплазме, а ламины в ядре.
Необходимо также подробно исследовать экспрессию недавно обнаруженных генов белков промежуточных филаментов, и выяснить, насколько они важны и почему до сих пор не были обнаружены. Некоторые из этих белков с трудом поддаются анализу in vitro, поскольку они плохо растворимы. Некоторые из них могут представлять собой минорные кератины, возможно, не играющие критической роли (недавно возникшие гены?) или функционирующие при переходных точках развития (подобно нестину) или в специфическх ситуациях (как синемин или белки хрусталика).
Другие гены не были обнаружены потому, что экспрессируются в тканях, которые обычно не берут для анализа, или свойства кодируемых ими белков близки к таковым хорошо известных белков.
В настоящее время известно около 40 заболеваний человека, которые связаны с мутациями в генах белков промежуточных филаментов. Очевидно, однако, что этот список еще будет пополняться. Некоторые заболевания могут характеризоваться скрытой симптоматикой, благодаря защитному эффекту одновременной экспрессии других белков промежуточных филаментов, или из-за особенностей локализации ткани, не дающей возможности обнаружить ранние стадии болезни, как это, например, имеет место при синдроме раздраженной кишки.
Полный список заболеваний, связанных с нарушениями функционирования белков промежуточных филаментов, будет составлен лишь после того, как мы выясним клинические последствия утраты клетками механической прочности. По мере роста наших представлений о степени распространения патологий, связанных с белками промежуточных филаментов, они будут определять развитие новых стратегий лечения. При этом окажется необходимым проанализировать всю целесообразность, индивидуального подхода к генной терапии этих заболеваний.
Промежуточные филаменты представляют собой основной компонент клеточного цитоскелета, необходимый для поддержания структуры и функции тканей. Они образуют прочную сеть филаментов, диаметром 10 нм (которые по размеру занимают промежуточное положение между актиновыми филаментами и микротрубочками). Эта сеть находится в цитоплазме и ядре клетки. Белки промежуточных филаментов кодируются большим семейством генов и обладают общей структурой, которая включает центральный протяженный стержневой а-спиральный домен, состоящий из секций, и ограниченный головным и хвостовым доменами.
Последние могут подвергаться посттрансляционным модификациям. Сборка промежуточных филаментов регулируется за счет фосфорилирования этих доменов. Сборка in vitro происходит быстро и не требует участия дополнительных компонентов, хотя кинетика этого процесса варьирует для разных белков. Димеры обрапроявления болезни и какой вклад в патогенез вносят дефектные филаменты.
Перестройка промежуточных филаментов происходит в митозе, а также при миграции клеток. Она, главным образом, обеспечивается фосфорилированием и дефосфорилированием белков. Протеолиз изменяет уровень белков в клетке и способствует апоптозу. Для функционирования промежуточных филаментов необязательно присутствие других белков, и обычно такие специфические белки дифференцировки, как филагрин, модифицируют свойства филаментов в тканях, в то время как другие, например плакины, ограничивают перестройки филаментов в клетках.
Гены белков промежуточных филаментов присутствуют в геноме всех Метазоа и, вероятно, произошли от ламинового гена-предшественника. Семейство современных генов промежуточных филаментов произошло за счет дупликации, транслокации и повторных событий дупликации. Это особенно характерно для кератинов, преобладающей группы белков промежуточных филаментов у современных млекопитающих.
У человека кератиновые гены организованы в кластеры на хромосоме 12 (гены типа II и типа I К18) и 17 (другие гены типа I), в то время как 16 некератиновых генов рассредоточены по геному. Гены белков промежуточных филаментов компактны, положение интронов фиксировано в пределах гомологичных типов, и большинство их кодирует только один белок.
Общая структура белков промежуточных филаментов человека, построенная по данным секвенирования.
Все белки промежуточных филаментов имеют центральный стержневой домен и боковые головной и хвостовой домены.
Этот тип общей структуры лучше всего соответствует белкам типов II, III, и VI.
У белков типа I отсутствуют области Н1/Н2, а у белков типа V нет доменов E/V.
Для белков ламины позвоночных и филаментов беспозвоночных показано наличие дополнительных аминокислот, удлинняющих стержневой домен.
Стрелками отмечено положение сайтов фосфорилирования (в молекулах некоторых белков промежуточных филаментов присутствуют дополнительные сайты фосфорилирования),
сайты атаки каспаз и общие сайты модификации ламинарных липидов.
