Cytoskeleton: F-actin and intermediate filaments - Uge 4

Hvad er cytoskelettets overordnede opbygning og funktion, herunder de tre filamenttyper og deres primære roller?

Cytoskelettet udgør ca. 20–35 % af cellens samlede proteinindhold og består af tre filamenttyper:

• Intermediære filamenter: mekanisk styrke og stabilitet

• Aktinfilamenter (F-actin): celleform, bevægelse og kontraktion

• Mikrotubuli: intracellulær transport, mitose samt cilier/flageller

Hver filamenttype har associerede proteiner, der regulerer struktur og funktion.

Hvad er cytoskelettets hovedfunktioner i cellen?

• Opretholdelse af celleform og cellepolaritet

• Forankring af celle–celle-kontakter, celle–matrix-kontakter samt intracellulære organeller

• Bevægelse, herunder cellemotilitet og intracellulær transport

• Celledeling

• Endocytose og exocytose

• Muskelkontraktion

Hvad kendetegner intermediære filamenter, mikrotubuli og aktinfilamenter med hensyn til lokalisering og funktion?

Cytoskelettet består af tre filamenttyper med forskellig lokalisering og funktion:

• Intermediære filamenter danner et mekanisk stærkt netværk i cytoplasmaet, forankres i desmosomer og hemidesmosomer og giver celler og væv trækstyrke og modstandsdygtighed mod mekanisk stress.

• Mikrotubuli udgår fra centrosomet nær kernen, danner radiale strukturer mod celleperiferien og er vigtige for intracellulær transport, organelplacering og celledeling.

• Aktinfilamenter findes især i cellecortex tæt ved plasmamembranen, danner strukturer i mikrovilli og adherens junctions og er ansvarlige for celleform, bevægelse og kontraktilitet.

Hvordan dannes intermediære filamenter?

Intermediære filamenter dannes trinvist ved samling af proteinunderenheder. Først danner α-helikale monomerer parallelle coiled-coil dimere. To dimere samles derefter antiparallelt til et tetramer, hvilket betyder, at strukturen ikke har polaritet. Tetramerer associerer lateralt og danner et protofilament. Flere protofilamenter samles side om side og danner til sidst et reb-lignende filament med en diameter på ca. 10 nm.

Hvilke fire undertyper af intermediære filamenter findes der, og hvad kendetegner dem?

Intermediære filamenter opdeles i fire undertyper baseret på cellulær lokalisering og celletype. Keratinfilamenter findes i epitelceller. Vimentin og vimentin-relaterede filamenter findes i bindevævsceller, muskelceller og gliaceller. Neurofilamenter findes i nerveceller. Nuclear lamins findes i cellekernen i alle dyreceller.

Alle fire undertyper har en central α-helikal stavregion, men adskiller sig i deres N-terminale hoved og C-terminale hale. Forskelle i disse regioner bestemmer deres specifikke interaktioner, lokalisering og funktion i cellen.

Hvilken funktion har keratinfilamenter i epitelvæv?

Keratinfilamenter er intermediære filamenter, der findes i cytoplasmaet i epitelceller og i strukturer som hår og fjer. De giver mekanisk styrke til celler og væv. Når epitelvæv udsættes for stræk, fordeler keratinfilamenterne de mekaniske kræfter mellem cellerne via celle–celle-forbindelser, så cellerne forbliver intakte og hænger sammen. Uden keratinfilamenter kan celler ikke modstå mekanisk belastning og vil rupturere.

Hvordan indgår keratinfilamenter i desmosomer og hemidesmosomer?

Keratinfilamenter danner intermediære filamenter, der forbinder epitelceller både med hinanden og med den extracellulære matrix. Ved celle–celle-interaktioner indgår keratinfilamenter i desmosomer, hvor keratin intracellulært bindes til en proteinplade, som er koblet til transmembrane cadheriner, der mekanisk forbinder naboceller. Ved celle–matrix-interaktioner indgår keratinfilamenter i hemidesmosomer, hvor keratin forankres til den extracellulære matrix via integriner. Disse kontakter sikrer mekanisk sammenhæng og stabilitet i epitelvæv.

Hvad er konsekvensen af keratinmutationer i huden?

Keratinmutationer svækker hudens mekaniske integritet og kan føre til epidermolysis bullosa, hvor hudceller ikke kan modstå mekanisk belastning, så hudlag adskilles og danner blærer.

Hvad er funktionen af vimentin- og neurofilamenter?

Vimentinfilamenter giver mekanisk styrke i cytoplasmaet i fibroblaster, muskelceller og gliaceller. Neurofilamenter giver mekanisk styrke og strukturel stabilitet i nervecellers cytoplasma, især i axonet

Hvad er nuclear laminer, og hvad er deres funktion?

Nuclear laminer er intermediære filamenter, der findes under den nukleære membran i alle dyreceller. De danner et støttende netværk på indersiden af kernemembranen, interagerer med kernemembranproteiner og giver mekanisk stabilitet samt opretholder kernens form.

Hvordan interagerer intermediære filamenter med andre cytoskeletelementer?

Intermediære filamenter interagerer med andre filamenttyper som en del af et integreret cytoskelet. De forbindes til mikrotubuli via accessoriske proteiner, især plectin, som også kan forbinde intermediære filamenter til aktinfilamenter. Disse koblinger sikrer mekanisk sammenhæng og strukturel stabilitet i cellen.

Hvordan er det cytoplasmatiske og nukleære cytoskelet forbundet, og hvad er betydningen af denne kobling?

Det cytoplasmatiske og nukleære cytoskelet er mekanisk forbundet via linkerproteiner fra SUN- og KASH-domænefamilier, som kobler den nukleære lamina til cytoskelettet i cytoplasmaet. Denne kobling muliggør overførsel af mekaniske signaler og stress til cellekernen og kan føre til ændringer i genekspression.

Hvad kendetegner aktin-cytoskelettet, og hvorfor er aktin et centralt cellulært protein?

Aktinfilamenter (F-aktin) er dynamiske filamenter med en diameter på ca. 7 nm, som findes i mange cellulære strukturer, men er særligt koncentreret i cellecortex lige under plasmamembranen. Aktin spiller en central rolle for celleform og kortikal organisation. Omkring 5 % af det samlede proteinindhold i en gennemsnitlig celle er aktin, og aktin interagerer med mange andre proteiner og er involveret i regulering af cellulær struktur, bevægelse og intracellulær dynamik.

Hvordan indgår aktinfilamenter i cellekontakter?

Aktinfilamenter deltager i både celle–celle- og celle–matrix-adhæsioner. Ved celle–celle-kontakter indgår de i adherens junctions, hvor aktinbundter i naboceller forbindes. Ved celle–matrix-kontakter indgår aktinfilamenter i fokale kontakter, hvor de forankres til den extracellulære matrix via integriner. Aktinbaserede kontakter er dynamiske og vigtige for celleform, kraftoverførsel og cellebevægelse.

Hvordan er aktinfilamenter opbygget og hvordan vokser de?

Aktinfilamenter dannes ved samling af globulære aktinmonomerer (G-aktin), som arrangeres i to protofilamenter i en snoet helix med en diameter på ca. 7 nm. Filamenterne er polariserede med en plus-ende og en minus-ende, hvilket skyldes ensrettet orientering af monomererne. Filamentvækst sker primært ved binding af nye monomerer til plus-enden, mens minus-enden er mere ustabil og ofte mister monomerer. G-aktin har et ATP-bindingssted, som er vigtigt for filamentets dynamik.

Hvad er aktin-treadmilling?

Aktinmonomerer bundet til ATP bindes primært til plus-enden af aktinfilamentet, hvor filamentet vokser. Efter indbygning hydrolyseres ATP til ADP, hvilket reducerer monomerens affinitet for filamentet, så ADP-bundet aktin oftest dissocierer fra minus-enden. Treadmilling beskriver den situation, hvor monomer-tilførsel ved plus-enden er lig monomer-tab ved minus-enden, så filamentets længde forbliver konstant, selvom der sker en kontinuerlig strøm af aktin gennem filamentet.

Hvilke aktinbaserede strukturer ses i celler, og hvad bruges de til?

Mikrovilli er tætte bundter af aktinfilamenter i epitelceller, som øger celleoverfladen og dermed absorption. Stressfibre er bundter af aktinfilamenter forbundet med myosin, som skaber kontraktil kraft, opretholder celleform og bidrager til celle–matrix-adhæsion. Lamellipodier og filopodier er aktinrige udløbere ved cellefronten, der er vigtige for cellebevægelse, udforskning af omgivelser og retningsbestemt migration. Den kontraktile ring består af aktin og myosin under celledeling og muliggør cytokinese ved at snøre cellen over i to datterceller.

Hvilken rolle spiller aktinbindende proteiner i reguleringen af aktin?

Omkring 50 % af aktin i celler findes i monomer form, hvilket opretholdes af aktinbindende proteiner. Disse proteiner kan binde og sequestrere G-aktin, regulere nukleation, hæmme eller fremme filamentvækst, afkapsle filamentender og kløve eksisterende filamenter. Dette giver cellen et stort, hurtigt mobiliserbart lager af aktinmonomerer, som muliggør hurtig omorganisering af aktin-cytoskelettet ved ændring af celleform, dannelse af nye aktinstrukturer og respons på signaler, fx under cellebevægelse og celledeling.

Hvad er cellemotilitet, og hvilke celletyper er afhængige af den?

Cellemotilitet afhænger af dynamiske ændringer i aktin-cytoskelettet. Celletyper med behov for bevægelse omfatter celler under embryonal udvikling, immunceller, sårhelende celler og visse kræftceller. Cellemotilitet er særlig vigtig tidligt i udviklingen, hvor fx neuralkamsceller migrerer væk fra neuralrøret og bidrager til dannelsen af mange forskellige væv.

Hvordan foregår cellemotilitet i immunsystemet?

Immunceller er stærkt motile og bevæger sig aktivt i væv. T-celler bevæger sig i det retikulære netværk i lymfeknuder for at scanne efter antigener og bevæger sig på en amøboid måde, som kræver hurtige, dynamiske ændringer i aktin-cytoskelettet. Cytotoksiske T-celler kan genkende inficerede celler og udløse intracellulære signaler, herunder ændringer i Ca²⁺, som er vigtige for den immunologiske respons.

Hvilke tre hovedtrin indgår i cellemigration, og hvilken rolle spiller aktin?

Cellemigration foregår i tre overordnede trin, der er afhængige af aktin-cytoskelettet. Først sker aktinpolymerisering ved cellens forreste kant, som danner lamellipodier og filopodier og skubber membranen fremad. Dernæst dannes fokale kontakter mellem den extracellulære matrix og det nydannede aktin via integriner, som forankrer cellen til underlaget. Til sidst trækkes cellens bageste del fremad ved aktin–myosin-medieret kontraktion, hvilket giver nettobevægelse fremad. Disse trin gentages kontinuerligt under cellemigration.

Hvad er lamellipodier og filopodier, og hvad er deres funktion?

Lamellipodier er brede, flade udløbere ved cellens forreste kant, opbygget af et tæt, forgrenet netværk af aktinfilamenter, som driver fremadskub af plasmamembranen under cellemigration. Filopodier er tynde, fingerlignende udløbere bestående af parallelle bundter af aktinfilamenter, der bruges til at føle omgivelserne og styre cellens bevægelsesretning. Begge strukturer er aktinbaserede og dannes ved hurtig aktinpolymerisering ved cellens leading edge.

Hvordan er lamellipodier opbygget, og hvordan dannes de?

Lamellipodier er brede, pladelignende strukturer ved cellens forreste kant. De består af et tæt, forgrenet netværk af aktinfilamenter. Forgreningen opstår, fordi Arp2/3-komplekset initierer nye aktinfilamenter som grene på allerede eksisterende filamenter. Arp2/3 kan binde til et eksisterende filament, fordi Arp2 og Arp3 strukturelt ligner aktin. Arp2/3-aktivitet reguleres af små GTP-bindende proteiner fra Rho-familien, som kontrollerer hvor og hvornår lamellipodier dannes. Denne mekanisme muliggør effektivt fremadskub under cellemigration.

Hvad er filopodier, og hvordan dannes de?

Filopodier er tynde, fingerlignende udløbere ved cellens forreste kant under cellemigration. De dannes ved forlængelse af lange, uforgrenede aktinfilamenter, hvilket understøttes af formin-proteiner, som fremmer polymerisering af aktin ved plus-enden. Aktinfilamenterne organiseres i parallelle bundter, der stabiliseres af bundtende proteiner som fascin.

Hvilken rolle spiller Rho-familiens små GTPaser i reguleringen af aktin-cytoskelettet?

Små GTP-bindende proteiner i Rho-familien regulerer aktin-cytoskelettets organisation og bestemmer, hvilke aktinstrukturer der dannes. Rac aktiverer dannelsen af lamellipodier ved at regulere Arp2/3-komplekset og fremme forgrenet aktinpolymerisering. Cdc42 aktiverer dannelsen af filopodier ved at regulere formin-proteiner og fremme lange, uforgrenede aktinfilamenter. Rho aktiverer dannelsen af kontraktile aktinbundter (stressfibre) ved at regulere myosinaktivitet. Dette gør det muligt for cellen at ændre form og bevægelsesmønster som respons på signaler.

Hvordan bidrager Rho-familiens GTPaser til cellemigration?

Rho-familiens GTPaser regulerer cellemigration ved at styre aktin-cytoskelettets organisation i forskellige dele af cellen. Cdc42 er aktiv ved cellens forreste kant og fremmer dannelsen af filopodier. Rac1 er aktiv i den brede leading edge og fremmer dannelsen af lamellipodier. RhoA er aktiv længere bagtil i cellen og fremmer dannelsen af kontraktile stressfibre, som bidrager til fremadrettet bevægelse. Den rumlige opdeling af Rho GTPase-aktivitet er afgørende for effektiv cellemigration.

Hvad er myosiner, og hvordan adskiller myosin I og myosin II sig?

Myosiner er aktin-bindende motorproteiner, der bevæger sig langs aktinfilamenter ved brug af ATP. Myosin I har ét hoveddomæne og kan transportere vesikler langs aktinfilamenter mod plus-enden samt bevæge aktinfilamenter langs plasmamembranen. Myosin II har to hoveddomæner og danner myosinfilamenter, som indgår i aktin–myosin-kontraktile strukturer, især i muskelceller. Ved bevægelse mod plus-enden trækker myosin II aktinfilamenter mod hinanden og skaber kontraktion.

Hvorfor sker der ikke aktin-treadmilling i sarkomerer?

I sarkomerer er aktinfilamenterne stabiliserede og fast forankrede i Z-skiverne, hvilket forhindrer treadmilling. Desuden er aktinfilamenterne dækket af regulatoriske proteiner som tropomyosin og troponin, der hæmmer dynamisk polymerisering og depolymerisering. Muskelkontraktion sker derfor ved glidning mellem aktin og myosin og ikke ved opbygning og nedbrydning af aktinfilamenter.

Hvordan stabiliseres aktinfilamenter i sarkomerer?

Aktinfilamenter i sarkomerer er stabile og capped i begge ender af capping-proteiner. De er fastgjort både i enderne og langs siderne til flere andre proteiner, hvilket forhindrer både polymerisering og depolymerisering. Denne stabilisering sikrer, at aktinfilamenternes længde bevares under muskelkontraktion, så bevægelsen udelukkende sker ved glidning mellem aktin- og myosinfilamenter.

Hvordan er myofibriller og sarkomerer organiseret i muskelceller?

Hver myofibril består af mange sarkomerer arrangeret ende mod ende, hvor sarkomererne er de gentagne kontraktile enheder, som giver myofibrillen dens tværstribede udseende. En enkelt muskelcelle indeholder mange myofibriller, der løber parallelt gennem cellen og fylder størstedelen af cytoplasmaet. Muskelceller er store, multinukleære celler dannet ved fusion af mange forstadieceller, hvilket muliggør dannelsen af lange celler med mange myofibriller og effektiv kraftudvikling under kontraktion.

Hvordan initieres muskelkontraktion ved Ca²⁺-frigivelse?

Muskelkontraktion initieres ved frigivelse af Ca²⁺ fra det sarcoplasmatiske retikulum, som fungerer som et intracellulært calciumlager i muskelceller. Det sarcoplasmatiske retikulum ligger tæt omkring myofibrillerne og er koblet til T-tubuli, der leder elektriske signaler hurtigt ind i muskelcellen. Når et aktionspotentiale når T-tubuli, udløses Ca²⁺-frigivelse til cytosolen, hvilket starter de molekylære processer, der fører til muskelkontraktion.

Hvordan fører Ca²⁺-frigivelse fra det sarcoplasmatiske retikulum til muskelkontraktion?

Frigivelse af Ca²⁺ fra det sarcoplasmatiske retikulum medfører en kraftig stigning i den cytosoliske Ca²⁺-koncentration, som er afgørende for at starte muskelkontraktion. Mekanismen involverer en direkte funktionel kobling mellem en spændingsstyret Ca²⁺-kanal i T-tubuli-membranen og en Ca²⁺-frigivelseskanal i membranen af det sarcoplasmatiske retikulum. Når et aktionspotentiale udbreder sig langs plasmamembranen og ned i T-tubuli, ændres membranpotentialet, hvilket udløser en konformationsændring i den spændingsstyrede Ca²⁺-kanal. Denne aktiverer Ca²⁺-frigivelseskanalen i SR, så Ca²⁺ frigives til cytosolen og initierer kontraktion i myofibrillerne.

Hvordan regulerer cytoplasmatisk Ca²⁺ sarkomerkontraktion?

Den cytoplasmatiske Ca²⁺-koncentration bestemmer, om sarkomerer kan kontrahere. Ved lav Ca²⁺-koncentration er myosin-bindingsstederne på aktinfilamenterne dækket af tropomyosin, hvilket forhindrer myosin i at binde. Når Ca²⁺-koncentrationen stiger, binder Ca²⁺ til troponin-komplekset, hvilket medfører en konformationsændring, der flytter tropomyosin væk fra myosin-bindingsstederne på aktin. Når bindingsstederne er eksponeret, kan myosin binde til aktin, og i tilstedeværelse af ATP kan sarkomeret kontrahere.

Hvordan forløber myosin–ATP-kontraktionscyklussen?

Når myosin-bindingsstederne på aktin er eksponeret og ATP er til stede, kan kontraktionscyklussen begynde. Binding af ATP til myosinhovedet får myosin til at slippe aktinfilamentet. ATP hydrolyseres derefter til ADP og fosfat, hvilket medfører en konformationsændring, så myosinhovedet bevæger sig langs aktinfilamentet mod plus-enden. Når myosin igen binder til aktin, frigives fosfat, hvilket udløser kraftslaget, hvor myosinhovedet bevæger sig tilbage til sin oprindelige position, men nu tættere på plus-enden. Frigivelse af ADP afslutter cyklussen, og myosinhovedet er klar til en ny runde, så længe Ca²⁺ og ATP er til stede.

Hvad er de vigtigste kendetegn ved intermediære filamenter?

Intermediære filamenter dannes af α-helikale subunits, som først danner dimere, derefter antiparallelle tetramerer, der samles i protofilamenter og til sidst i lange, reblignende filamenter med en diameter på ca. 10 nm. De er ikke polariserede og er de mest stabile komponenter i cytoskelettet, men kan nedbrydes midlertidigt, fx under celledeling. De forbindes både indbyrdes og med andre cytoskeletelementer via koblingsproteiner som plectin. Der findes fire hovedklasser: keratiner, vimentiner, neurofilamenter og nukleære laminer. Intermediære filamenter har primært strukturelle funktioner og bidrager til mekanisk styrke samt celle–celle- og celle–matrix-adhæsion.

Hvad er de vigtigste kendetegn og funktioner ved aktin og aktinfilamenter?

Aktinfilamenter består af to protofilamenter af globulært G-aktin, der er snoet i en coiled helix og danner F-aktin. De har en diameter på ca. 7 nm og er polariserede med en plus- og en minus-ende. Polymerisering sker ved tilføjelse af ATP-bundet G-aktin til plus-enden, mens depolymerisering forekommer efter ATP-hydrolyse, når aktin får lavere affinitet for filamentet. Aktinstrukturen i celler bestemmes af aktinbindende proteiner, som regulerer filamenternes længde, organisering og dynamik. Aktinfilamenter findes især i cellecortex, stressfibre, mikrovilli, filopodier og lamellipodier samt i celle–celle- og celle–matrix-kontakter. Aktins fysiologiske roller omfatter mekanisk stabilitet, regulering af celleform, intracellulær transport, cellemotilitet, celledeling og muskelkontraktion