Stressfaser - Stress fiber
| Stressfaser | |
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 Stressfasern - visualisiert durch fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von F-Actin
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| Identifikatoren | |
| Gittergewebe | D022502 |
| NS | H1.00.01.1.02033 |
| Anatomische Terminologie | |
Stressfasern sind kontraktile Aktinbündel, die in Nicht-Muskelzellen vorkommen. Sie bestehen aus Aktin (Mikrofilamenten) und Nicht-Muskel-Myosin II (NMMII) und enthalten außerdem verschiedene quervernetzende Proteine wie α-Aktinin, um eine hochregulierte Aktomyosin-Struktur innerhalb von Nicht-Muskelzellen zu bilden. Es wurde gezeigt, dass Stressfasern eine wichtige Rolle bei der zellulären Kontraktilität spielen, indem sie Kraft für eine Reihe von Funktionen wie Zelladhäsion , Migration und Morphogenese bereitstellen .
Struktur
Stressfasern bestehen hauptsächlich aus Aktin und Myosin. Aktin ist ein globuläres Protein mit ~43 kDa und kann polymerisieren, um lange filamentöse Strukturen zu bilden. Diese Filamente bestehen aus zwei Strängen von Aktinmonomeren (oder Protofilamenten), die sich umeinander wickeln, um ein einzelnes Aktinfilament zu bilden. Da Aktinmonomere keine symmetrischen Moleküle sind, weisen ihre Filamente eine Polarität auf, die auf der Struktur des Aktinmonomers basiert, was ermöglicht, dass ein Ende des Aktinfilaments schneller als das andere polymerisiert. Das Ende, das schneller polymerisieren kann, wird als Plus-Ende bezeichnet, während das Ende, das langsamer polymerisiert, als Minus-Ende bezeichnet wird. Stressfasern bestehen normalerweise aus 10-30 Aktinfilamenten. Stressfasern bestehen aus antiparallelen Mikrofilamenten: Aktinfilamente sind entlang ihrer Länge gebündelt, und Plus- und Minus-Enden vermischen sich an jedem Ende des Bündels. Die antiparallele Anordnung von Aktinfilamenten innerhalb von Stressfasern wird durch α-Actinin verstärkt , ein Aktinfilament-vernetzendes Protein, das antiparallele Aktin-bindende Domänen enthält. Diese Bündel werden dann durch NMMII vernetzt, um Belastungsfasern zu bilden.
Montage und Regulierung
Die Rho-Familie der GTPasen reguliert viele Aspekte der Dynamik des Aktinzytoskeletts, einschließlich der Bildung von Stressfasern. RhoA (manchmal auch nur als „Rho“ bezeichnet) ist für die Bildung von Stressfasern verantwortlich, und seine Aktivität bei der Bildung von Stressfasern wurde erstmals 1992 von Ridley und Hall entdeckt. Wenn es an GTP gebunden ist, aktiviert Rho Rho-assoziierte Coiled-Coil bildende Kinase (ROCK) und Säugetierhomolog von Drosophila diaphanous (mDia). mDia ist ein Formin , das lange Aktinfilamente nukleiert und polymerisiert. ROCK ist eine Kinase , die MLCP (Myosin-Leichtketten-Phosphatase) sowie die NMMII-Leichtkette, die MLCP inaktiviert und Myosin aktiviert, phosphoryliert. Dies führt zur Ansammlung von aktivierten Myosin-Motorproteinen, die die durch mDia polymerisierten Aktinfilamente binden, um Stressfasern zu erzeugen. Darüber hinaus phosphoryliert und aktiviert ROCK auch die LIM-Kinase. LIM-Kinase wiederum phosphoryliert und inaktiviert Cofilin , was den Abbau und das Recycling von Aktinfilamenten verhindert und die Integrität der Stressfasern aufrechterhält.
Rollen und assoziierte Proteine
Stressfasern spielen bei der Zellfunktion die folgenden Rollen:
1. Haftung
Stressfasern sind , die für die Bildung und Aufrechterhaltung der Zell-Zell und Zell - ECM - Adhäsion, wie beispielsweise die Bildung von Adhärenzverbindungen , tight junctions und fokalen Adhäsionen .
Adherens-Verbindungen
Adherens Junctions sind eine Art von Zell-Zell-Adhäsionsstruktur, die sowohl in beweglichen als auch in nicht beweglichen Zellen vorhanden ist, die Zellen über die homophile Bindung von Cadherinen und Nexinen aneinander binden . Stressfasern spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung von Cadherin-abhängigen und Nexin-abhängigen Zell-Zell-Kontakten, und es wurde festgestellt, dass die GTPasen der Rho-Familie die Struktur und Integrität der Adhärens-Verbindungen regulieren. α-Catenin und β-Catenin sind integrale Bestandteile von Adhärens-Verbindungen, die aneinander binden, um Cadherin-α-Catenin-β-Catenin-Komplexe zu bilden. Frühe Studien zeigten, dass α-Catenin mit Aktinfilamenten interagieren könnte, was zu der Annahme führte, dass α-Catenin das Aktin-Zytoskelett mit den Adhärenzverbindungen verbindet. Später wurde jedoch festgestellt, dass α-Catenin nur F-Aktin binden kann, wenn es von β-Catenin und Cadherin ungebunden ist.
Kürzlich wurde gezeigt, dass α-Catenin mit Forminen , EPLIN und Vinculin assoziiert . Es wurde festgestellt, dass EPLIN die Bündelung und Stabilisierung von Aktinfilamenten verbessert, und Vinculin ist an der Bindung von Adhäsionsmolekülen an das Aktinzytoskelett beteiligt. Dies kann als Mechanismus dafür dienen, wie Aktin an Adhärenzverbindungen rekrutiert wird.
Enge Übergänge
Tight Junctions oder Zona occludens sind das wichtigste zelluläre Element für die Bildung semipermeabler Barrieren innerhalb oder zwischen Geweben. Tight Junctions bestehen hauptsächlich aus Claudinen und Occludinen, die Membranproteine sind, die den Zell-Zell-Kontakt bilden, sowie ZO-1, ZO-2 und ZO-3, die Tight Junctions mit dem Aktin-Zytoskelett verbinden. Es wurde jedoch nicht festgestellt, dass Tight Junctions direkt mit Stressfasern verbunden sind, wie dies bei fokalen Adhäsionen und adhärenten Junctions der Fall ist.
Fokale Adhäsionen
Fokale Adhäsionen sind makromolekulare Anordnungen, die verwendet werden, um Zellen mit der ECM zu verbinden. Sie bestehen aus drei Funktionsschichten: einer ECM-assoziierten Integrinschicht, einer membranassoziierten Kraftübertragungsschicht und einer Aktinschicht, die aus Aktin-Stressfasern besteht. Wie die Namensgebung oder ihre Schichten andeuten, spielen fokale Adhäsionen eine große Rolle bei der Mechanotransduktion und Zellmigration. Fokale Adhäsionen sind normalerweise mit Stressfasern verbunden – tatsächlich ist die Kontraktilität der Stressfasern für die Aufrechterhaltung der fokalen Adhäsion notwendig.
2. Migration
Ein wesentliches Merkmal vieler Zellen ist ihre Fähigkeit, in Richtung bestimmter mechanischer ( Durotaxis ) oder chemischer ( Chemotaxis ) Reize zu wandern . Die Zellmigration findet durch die konzertierte Aktion von drei GTPasen der Rho-Familie statt: Rho, Rac und Cdc42. Wenn es an GTP gebunden ist, verursacht Rac die Bildung von Lamellipodien und Cdc42 verursacht die Bildung von Filopodien , wodurch die Zellmigration gefördert wird. In der wandernden Zelle gibt es drei Haupttypen von Stressfasern: ventrale Stressfasern, transversale Bögen und dorsale Stressfasern. Ventrale Stressfasern sind an beiden Enden mit fokalen Adhäsionen verbunden, befinden sich auf der ventralen Oberfläche der Zelle und wirken bei der Adhäsion und Kontraktion. Querbögen sind nicht direkt mit fokalen Adhäsionen verbunden und fließen typischerweise von der Vorderkante der Zelle zurück zum Zellzentrum. Dorsale Stressfasern befinden sich an der Vorderkante der Zelle. Sie heften sich an fokale Adhäsionen an der ventralen Oberfläche der Vorderkante und erstrecken sich dorsal in Richtung der Zellmitte, um an Querbögen zu haften. Während der Zellmigration werden Aktinfilamente in Stressfasern durch einen retrograden Aktinfluss recycelt . Der Auflösungsmechanismus der fokalen Adhäsion selbst ist wenig verstanden.
3. Morphogenese
Morphogenese auf zellulärer Ebene kann als Formgebung oder Definition der Architektur einer Zelle definiert werden. Der Zusammenbau des Zytoskeletts, einschließlich des Aktin-Zytoskeletts, ist der entscheidende Faktor bei der Spezifizierung der zellulären Morphogenese und der Formgebung der Zellen. Die Kontraktilität von Stressfasern innerhalb der Zelle wird daher dazu beitragen, die zelluläre Morphogenese zu bestimmen. Zum Beispiel tragen die umlaufenden kontraktilen Aktingürtel der Adhärens-Junctions zur zellulären Morphogenese bei. Auch die dorsalen Stressfasern, transversalen Bögen und ventralen Stressfasern helfen bei der Bestimmung der Zellmorphologie während der Zellmigration. Eine genauere Erklärung der zellulären Morphogenese finden Sie hier .
4. Mechanotransduktion
Sowohl Mikrofilamente als auch Mikrotubuli spielen eine wichtige Rolle bei der Mechanotransduktion. Im Aktin-Zytoskelett kann die Mechanotransduktion an Zell-ECM- und Zell-Zell-Adhäsionen durch fokale Adhäsionen bzw. adhärente Verbindungen erfolgen. Die Übertragung von Kräften von außen in das Innere der Zelle kann die Reifung oder den Abbau von Adhäsionen steuern und intrazelluläre Signalkaskaden initiieren, die das zelluläre Verhalten verändern können, und Zellen sind dafür bekannt, Stressfasern aufzubauen, wenn sie mechanischem Stress ausgesetzt sind. Zum Beispiel zeigen Zellen, die auf starren Substraten gezüchtet werden, dicke Stressfasern, während die Stressfasern, die in Zellen zu sehen sind, die auf weicheren Substraten gezüchtet werden, weniger ausgeprägt sind. Die durch Stressfasern auf fokale Adhäsionen übertragene mechanische Kraft kann auch die Konformation von mechanosensitiven fokalen Adhäsionsproteinen wie p130Cas und Talinen verändern, was darauf hindeutet, dass die Kontraktilität der Stressfasern mechanische Signale in biochemische Signale umwandeln kann. Es gibt auch eine kleine Untergruppe von fokal adhäsionsassoziierten Integrinen, die in der perinukleären Aktinkappe (an der Spitze des Kerns) enden und dort durch den LINC-Komplex verankert sind . Diese Cap-assoziierten fokalen Adhäsionen haben sich als Hauptmediatoren bei der Mechanosensing etabliert und stellen einen direkten Weg für die Übertragung mechanischer Signale von fokalen Adhäsionen zum Zellkern dar.
Stressfasern in beweglichen und unbeweglichen Zellen
Die Struktur von Stressfasern unterscheidet sich zwischen beweglichen und unbeweglichen Zellen. Stressfasern in beweglichen und unbeweglichen Zellen ähneln sich darin, dass sie beide Aktinfilamente enthalten, die durch α-Aktinin und Myosin II vernetzt sind, jedoch unterscheidet sich die räumliche Ausrichtung der einzelnen Aktinfilamente innerhalb der Stressfaser zwischen beweglich und unbeweglich Zellen. Stressfasern in der ventralen Region beweglicher Zellen zeigen eine Gesamtverschiebung der individuellen Aktinfilamentorientierung entlang der Längsachse der Stressfaser, so dass die Plus-Enden der Filamente immer überwiegend in Richtung fokaler Adhäsionen zeigen. Stressfasern in den ventralen Regionen unbeweglicher Zellen zeigen eine periodische Polarität, die der Organisation des Sarkomers ähnelt .
Klinische Anwendungen
Wie oben diskutiert, ist Rho für die Bildung von Stressfasern verantwortlich. Eine Fehlregulation der Rho-Familie von GTPasen ist an vielen Krankheiten beteiligt. Allgemeine klinische Anwendungen, die auf Rho GTPasen abzielen, finden Sie hier .