HC24. Cytoskelet

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de opbouw en functie van het cytoskelet (intermediaire filamenten, microtubuli en actinefilamenten) besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Het cytoskelet

Het cytoskelet is een ingewikkeld netwerk van draadvormige moleculen in het cytoplasma. Het zorgt voor:

• Vormt het skelet van de cel
• Maakt als “spier” beweging mogelijk
• Lokalisatie van organellen
• Transport in de cel
• Segregatie van chromosomen
• Het splitsen van een cel in twee dochtercellen (cytokinese) tijdens de mitose

Er zijn drie klassen filamenten aanwezig in het cytoskelet:

• Intermediaire filamenten
  • Diameter = 10 nm
• Microtubuli
  • Diameter = 25 nm
• Actinefilamenten
  • Diameter = 7 nm

De filamenten worden onderscheiden op basis van de diameter van hun filament.

Intermediaire filamenten

Intermediaire filamenten bevinden zich:

• Cytoplasmisch
  • Keratines
    • In epitheliale cellen
  • Vimentine
    • In bindweefsel, spiercellen en gliacellen
  • Neurofilamenten
    • In zenuwcellen
• Nucleair
  • Nucleair laminus

Ze hebben specifieke eigenschappen:

• Flexibel
• Grote trekkracht
• Zorgen voor een verdeling van het mechanisme stress
• Voorkomen het kapotscheuren van weefsels

Intermediaire filamenten bestaan uit α-helix monomeren die dimeren vormen. Twee dimeren vormen een tetrameer, deze hebben geen polariteit. Twee tetrameren komen naast elkaar te liggen. Acht tetrameren vormen een filament. Intermediaire filamenten voorkomen het kapotscheuren van weefsels.

Epidermolysis bullasa simplex:

Epidermolysis bullosa simplex is een zeldzaam syndroom (1 op 30.000). Kenmerkend is de blaarvorming door wrijven of krabben. Het erft autosomaal dominant over en wordt veroorzaakt door een mutatie in de keratine-eiwitten KRT5 of KRT14.

Keratinefilamenten lopen kriskras door de cel heen. M.b.v. desmosomen maken ze contact met andere keratinefilamenten. Bij stretchen worden normaal gesproken intermediaire filamenten strakgetrokken, waardoor ze de huid beschermen. Bij een mutatie bestaan deze draden niet en worden de cellen uit elkaar getrokken waardoor ze kapotgaan.

Plectine:

Plectine vormt een koppeling tussen intermediaire filamenten en microtubuli/actine filamenten. Als er een mutatie in een plectine eiwit is, wordt niet alleen de stabiliteit van de intermediaire filamenten beïnvloed maar ook die van microtubuli en actinefilamenten. Dit leidt tot nog ergere symptomen dan EBS:

• Blaarvorming
• Neurale afwijkingen
• Spierdystrofie

Hutchinson-Gilford:

Hutchinson-Gilford progeria wordt gekenmerkt door versnelde veroudering. Er is sprake van:

• Groeiachterstand
• Prominente oren
• Smalle neus
• Verouderde huid
• Weinig subcutaan vet 
• Gewrichtsafwijkingen

Het komt bij 1 op de 4 miljoen mensen voor. Het is autosomaal dominant en wordt veroorzaakt door een mutatie in het LMNA gen voor het Lamina A eiwit. De nucleaire lamina vormen een netwerk aan de binnenkant van de kernwand waaraan chromatine kan bevestigen. Deze eiwitten spelen een rol bij DNA-replicatie en transcriptie. Verstoring van deze structuur zorgt ervoor dat de replicatie en transcriptie niet goed kunnen verlopen. Een mutatie in het C-terminale deel zorgt voor een basepaarsubstitutie, wat zorgt voor een criptische splicing. Er wordt pre-progerine gevormd i.p.v. pre-lamina A. Het eiwit kan niet meer door een protease geknipt worden.

Tumoren:

Het type intermediaire filament in een tumor geeft de oorsprong van de tumorcel weer (bv. epitheliaal (keratine) of mesenchymaal (vimentine)). Er zijn eiwitten die onderscheid kunnen maken tussen filamenten en keratines. De oorzaak van de tumor geeft meer inzicht in hoe de tumor het best bestreden kan worden.

Microtubuli

Microtubuli zijn buisvormige eiwitmoleculen. Ze zijn belangrijk voor:

• Postitionering van organellen in de cellen
  • Door het binden van eiwitten tussen microtubuli en organellen
• Transport van moleculen en vesicles
  • In een zenuwcel worden moleculen van het axon naar het dendriet getransporteerd door microtubuli
• De mitotische spoelfiguur
• Het bewegen van cilia/flagellen

Microtubuli zijn dynamisch instabiel (worden makkelijk opgebouwd, maar ook makkelijk afgebroken). Een microtubulus bestaat uit:

1. Heterodimeren van α- en β-tubuline die protofilamenten vormen
2. 13 protofilamenten vormen een holle cilindrische buis: de microtubulus
   • Deze heeft een structurele polariteit
   • De diameter (25 nm) is groter dan die van intermediaire filamenten
   • Er is een structurele polariteit

GTP-hydrolyse:

Een microtubuli ontstaat als volgt:

1. Tubuline bindt met GTP
2. GTP bindt met de microtubuli
3. Als de binding sneller plaatsvindt dan GTP-hydrolyse groeien de microtubuli

GTP-hydrolyse zorgt ervoor dat protofilamenten met GDP van elkaar scheiden en tubulinemoleculen met GDP zich afscheiden → verkleining van de microtubuli. Daarom is er sprake van dynamische instabiliteit van microtubuli → de groei (polymerisatie) en krimp (depolymerisatie) vindt plaats in verschillende richtingen. Als microtubuli de celwand bereiken vormt zich een kap die zorgt voor stabilisatie.

Organisatiecentra:

De aanmaak van microtubuli vindt plaats vanuit een organisatiecentrum, bijvoorbeeld een centrosoom. Een centrosoom bestaat uit:

• Een matrix van eiwitten, waaronder ringvormige γ-tubuline → hieruit groeien de microtubuli
  • Door de bolvormige structuur van centrosomen kunnen microtubuli alle kanten op groeien
• Twee centriolen → hiervan is de functie niet duidelijk
  • Centriolen zijn hetzelfde als de basale bodies in microvilli

Microtubuli tijdens de mitose:

Tijdens de mitose zorgen microtubuli voor de stabilisering van de mitotische spoelfiguur:

1. Tijdens de S-fase vindt duplicatie van de centrosomen plaats
2. Spoeldraden gaat zich uitstrekken → dynamische instabiliteit
3. Stabilisatie vindt plaats door interactie tussen microtubuli → dit zijn interpolaire microtubuli
   • Microtubuli zonder interactie heten aster microtubuli
4. Tijdens de prometafase binden microtubuli aan de kinetochoor van de chromosomen → dit zijn kinetochoor microtubuli
5. Tijdens de anafase worden de kinetochoren van de zusterchromatiden uit elkaar getrokken
   • Scheiden van zusterchromatiden (enzymatisch)
   • Verkorting van microtubuli
   • Verwijdering tussen spindle poles (centrosomen)

Stoffen van invloed:

Er zijn verschillende stoffen die de microtubuli beïnvloeden:

• Taxol bindt en stabiliseert microtubuli
• Colchicine/colemide bindt aan subunits en voorkomt polymerisatie
• Vinblastine/vincristine bindt aan subunits en voorkomt polymerisatie
  • Dit kan gebruikt worden bij tumoren: de mitose waar deze cellen zich in bevinden kan niet worden afgemaakt waardoor de cellen in apoptose gaan

Actinefilamenten

Actinefilamenten bestaan uit polymeren van actine-monomeren. Actinefilamenten hebben bepaalde eigenschappen:

• Vormen 5% van alle eiwitten
• Zijn relatief instabiel
• Zijn van belang bij celbeweging
• Bevinden zich in spierweefsel
  • Bepalen de vorm, plasticiteit en diverse functies
  • Zitten in microvilli en contractiele bundels
• Spelen een rol bij celverplaatsing
• Vormen een ringstructuur tijdens de celdeling

Actinefilamenten ontstaan als volgt:

1. Twee actinemonomeren vormen een actinefilament met een structurele polariteit (een + en een – eind)
2. Er vindt tegelijkertijd groei en krimp plaats → de groei is stabieler, maar minder dynamisch, dan bij microtubuli
   • ATP-hydrolyse aan de - kant destabiliseert het actinepolymeer → de lengte neemt af
     • ATP wordt omgezet in ADP
   • ATP aan de + kant zorgt voor groei
3. Vrije actinefilamenten in het cytosol zijn gebonden aan actine-bindende eiwitten
   • Hierdoor kan geen polymerisatie plaatsvinden

Tijdens de mitose:

Actine (en myosine) spelen tijdens de mitose een belangrijke rol:

1. Vormen een contractiele ring tussen de twee centrosomen waar de uiteengetrokken zusterchromatiden liggen
2. De ring wordt steeds kleiner → de cellen worden van elkaar afgesplitst
3. Dochtercellen worden gevormd

Stoffen van invloed:

Er zijn verschillende stoffen die actinefilamenten beïnvloeden:

• Phalloïdine: bindt een stabiliseert filamenten
• Cytochalasine: vormt aan de + kant een “cap” om het filament
• Latrunculine: bindt aan subunits en voorkomt polymerisatie