Espressioni Molecolari Biologia Cellulare: Filamenti intermedi

Filamenti intermedi

I filamenti intermedi sono una classe molto ampia di proteine fibrose che svolgono un ruolo importante come elementi strutturali e funzionali del citoscheletro. Di dimensioni variabili da 8 a 12 nanometri (in diametro; vedi Figura 1), i filamenti intermedi funzionano come elementi portanti di tensione per aiutare a mantenere la forma e la rigidità delle cellule, e servono ad ancorare in posizione diversi organelli, tra cui il nucleo e i desmosomi. I filamenti intermedi sono anche coinvolti nella formazione della lamina nucleare, un reticolo a rete che riveste la membrana nucleare interna e regola la forma del nucleo.

Anche se tutti gli eucarioti contengono gli elementi citoscheletrici comuni actina e tubulina (entrambi liberi nel citoplasma e polimerizzati in forma di microfilamenti e microtubuli), i filamenti intermedi si trovano solo in alcune specie di metazoi, compresi i vertebrati, i nematodi e i molluschi. Nei vertebrati, la presenza e la composizione dei filamenti intermedi non solo dipende dalla specie, ma varia anche con il tipo di tessuto. Per esempio, la maggior parte delle cellule epiteliali animali contengono cheratine, una famiglia diversificata di filamenti intermedi composta da più di 50 membri, mentre le cellule mesenchimali e muscolari sono ricche di proteine fibrose, vimentina e desmina, rispettivamente. I filamenti intermedi che si trovano nei neuroni e nelle cellule gliali includono peripherin, neurofilamenti e la proteina acida fibrillare gliale (GFAP). Una varietà di proteine associate si lega ai filamenti intermedi, sia per migliorare la stabilità (attraverso la reticolazione) o per fornire siti di attacco per altri gruppi di proteine, come i filamenti di actina e i microtubuli.

Un’altra classe altamente specializzata di filamenti intermedi sono le lamine nucleari, che costituiscono la rete di proteine fibrose che rivestono l’interno della membrana nucleare, come discusso sopra. Grazie alla loro vicinanza alla membrana, le lamine nucleari aiutano a fissare i cromosomi alla membrana nucleare e forniscono punti di ancoraggio per i pori nucleari. Molti scienziati ritengono che le lamine nucleari siano l’antenato evolutivo dei filamenti intermedi citoplasmatici, che si sono evoluti attraverso la duplicazione e la traslocazione del prodotto genico nel citoplasma. La rigidità conferita alle cellule dalle reti di filamenti intermedi è particolarmente utile per gli animali dal corpo molle che non possiedono un esoscheletro. Poiché i filamenti intermedi sono molto abbondanti nelle cellule che sono spesso sottoposte a forti stress meccanici in vivo, sembra che il loro ruolo primario sia quello di fornire forza fisica a cellule e tessuti.

Presentata in Figura 2 è un’immagine digitale della rete intermedia di cheratina trovata in una cellula epiteliale di canguro di ratto (linea PtK2) vista attraverso un microscopio ottico a fluorescenza. L’estesa rete intrecciata è stata etichettata con anticorpi primari per diverse proteine citocheratine, che sono state poi colorate con anticorpi secondari contenenti un colorante verde fluorescente. Il nucleo è stato controcolorato con un colorante blu per notare la sua posizione in relazione alla rete di filamenti intermedi. La microscopia a fluorescenza è uno strumento importante che gli scienziati usano per esaminare la struttura e la funzione degli organelli cellulari interni e del citoscheletro.

Come illustrato nella figura 1, i peptidi monomerici dei filamenti intermedi sono una classe fibrosa allungata di proteine con una regione centrale alfa-elica coperta da estremità globulari sia al termine amminico che a quello dell’acido carbossilico. Due delle unità monomeriche formano un dimero a spirale che si auto-associa in una disposizione antiparallela per formare un tetramero sfalsato, che è l’analoga subunità solubile per l’actina monomero globulare e l’eterodimero della tubulina (esistente libero nel citoplasma). Le unità del tetramero si impacchettano lateralmente per formare un foglio di otto protofilamenti paralleli che sono superavvolti in un fascio stretto. Ogni sezione trasversale del filamento intermedio strettamente arrotolato rivela 32 singoli peptidi alfa-elici, il che rende il filamento facile da piegare ma abbastanza difficile da rompere, spiegando così l’estrema rigidità strutturale. Anche se il meccanismo di assemblaggio e disassemblaggio dei filamenti intermedi è poco conosciuto, è chiaro che alcune classi sono strutture altamente dinamiche con un tasso significativo di turnover in molti tipi di cellule.

Mutazioni nei geni dei filamenti intermedi portano a una serie di malattie piuttosto insolite. Per esempio, le cheratine difettose nel tessuto cutaneo portano a un disordine noto come epidermolisi bullosa simplex, che si manifesta con vesciche cutanee prodotte anche con un leggero stress meccanico. Simili malattie da vesciche dovute a mutazioni della cheratina in altri tessuti colpiscono l’esofago, gli occhi e la bocca. Diverse malattie neurodegenerative, come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA o morbo di Lou Gehrig), sono associate a malfunzionamenti nella rete dei filamenti intermedi (neurofilamenti), e difetti nei filamenti intermedi di desmina producono disturbi muscolari.