Коратин — белок цитоскелета¶

Коратин — белок, образующий промежуточные филаменты (одну из трёх основных систем цитоскелета эукариотических клеток). В отличие от актина и тубулина, формирующих полярные нити, коратиновые филаменты не имеют выраженной полярности и выполняют преимущественно механическую (опорную) функцию, обеспечивая устойчивость клетки к растяжению и сдвиговым деформациям. Термин применяется главным образом к промежуточным филаментам, обнаруживаемым в клетках беспозвоночных и в некоторых специализированных тканях позвоночных животных; у млекопитающих близкими по строению и функции являются кератины, виментин, десмин, ламины и другие белки семейства.

¶Общая характеристика

Промежуточные филаменты представляют собой фибриллярные структуры диаметром около 8–12 нм — промежуточным между микрофиламентами (около 7 нм) и микротрубочками (около 25 нм), откуда и происходит их название. Коратин относится к этой группе белков и обладает характерными для неё свойствами:

• высокая механическая прочность и устойчивость к растяжению;
• отсутствие ферментативной активности;
• способность к самосборке без участия нуклеотидов (в отличие от актина и тубулина, для полимеризации которых необходимы АТФ и ГТФ соответственно);
• нерастворимость в водных растворах при физиологических условиях;
• относительная устойчивость к действию детергентов и умеренному нагреву.

Молекула коратина имеет удлинённую форму и построена по общему для промежуточных филаментов плану: центральный стержневой домен, образованный несколькими α-спиральными сегментами, и неспиральные «головной» и «хвостовой» участки на концах. Именно центральный домен обеспечивает скручивание двух молекул в димер, а затем — в более сложные надмолекулярные комплексы.

¶Строение и сборка

Сборка коратиновых филаментов происходит поэтапно и не требует энергии гидролиза нуклеотидов:

1. Две мономерные полипептидные цепи образуют димер, в котором центральные домены закручены друг относительно друга в спираль.
2. Димеры объединяются в тетрамеры (антипараллельно), образуя так называемый «протофиламент».
3. Протофиламенты упаковываются в зрелый филамент диаметром около 10 нм.

Такая архитектура объясняет отсутствие полярности: концы нити структурно равноценны, поэтому у промежуточных филаментов нет направленного роста, характерного для актиновых и тубулиновых полимеров. Сборка и разборка регулируются фосфорилированием — присоединением фосфатных групп к головному и хвостовому доменам, что изменяет способность молекул к объединению.

¶Функции

Основная роль коратина и родственных ему промежуточных филаментов — поддержание механической целостности клетки и её устойчивости к внешним нагрузкам. Клетки, лишённые такой опоры, легче деформируются и повреждаются при растяжении. Кроме того, промежуточные филаменты:

• участвуют в организации цитоскелета и распределении внутриклеточных структур;
• связывают клетку с соседними клетками через межклеточные контакты (десмосомы, полудесмосомы);
• взаимодействуют с ядерной ламиной — сетью филаментов, выстилающих внутреннюю поверхность ядерной оболочки;
• могут участвовать в передаче сигналов и в защите клетки от механического стресса.

¶Распространение и родственные белки

Коратиновые и близкие к ним промежуточные филаменты широко распространены в животном мире. У беспозвоночных они формируют цитоскелет многих типов клеток, включая эпителиальные и мышечные. У позвоночных семейство промежуточных филаментов сильно дифференцировано:

Такое разнообразие отражает специализацию тканей: каждый тип клеток использует свой набор промежуточных филаментов, соответствующий его механическим задачам.

¶Клиническое и научное значение

Исследование коратина и промежуточных филаментов важно для понимания ряда заболеваний. Мутации в генах кератинов и родственных белков приводят к наследственным нарушениям — например, к буллёзному эпидермолизу, при котором кожа легко повреждается при механическом воздействии. Нарушения структуры ламинов связаны с прогерией и некоторыми мышечными дистрофиями.

В лабораторной практике белки промежуточных филаментов используются как маркеры при идентификации типов клеток и диагностике опухолей: поскольку разные ткани экспрессируют разные белки этого семейства, их выявление помогает определить происхождение клеток. Это делает изучение коратина и его аналогов значимым как для фундаментальной биологии, так и для практической медицины.

¶Эволюционный аспект

Промежуточные филаменты считаются эволюционно древней системой цитоскелета, возникшей, по-видимому, ещё у ранних эукариот. Сравнение белков разных групп организмов показывает, что семейство постепенно усложнялось: у беспозвоночных набор белков относительно ограничен, тогда как у позвоночных он разветвился на множество специализированных форм. Коратин в этом смысле представляет собой звено, связывающее просто организованные филаменты беспозвоночных и высокоспециализированные белки млекопитающих.