Das Zytoskelett ist ein hochdynamisches und organisiertes Netzwerk filamentöser Proteine, das sich über das gesamte Zytoplasma erstreckt. Es sorgt für mechanische Unterstützung, bestimmt die Zellform, positioniert Organellen und erzeugt die für die Zellteilung und -motilität erforderlichen Kräfte.
Aktinfilamente (Mikrofilamente)
Aktinfilamente (F-Aktin) haben einen Durchmesser von 7 nm und sind aus globulären Aktinmonomeren (G-Aktin) zusammengesetzt, die entweder an ATP oder ADP gebunden sind. Die Polymerisation erfolgt bevorzugt am mit Widerhaken (Plus) versehenen Ende, während die Depolymerisation am spitzen (Minus) Ende erfolgt, eine Eigenschaft, die bei ausgeglichenen Raten als Tretmühlen bezeichnet wird. Aktinbindende Proteine regulieren die Filamentdynamik: Profilin fördert die Aktinpolymerisation durch den Austausch von ADP gegen ATP, Cofilin trennt Filamente und beschleunigt die Depolymerisation, und der Arp2/3-Komplex bildet neue Filamente als Verzweigungen bestehender Filamente. Abdeckproteine binden das stachelige Ende, um die Filamente zu stabilisieren, während Tropomodulin das spitze Ende abdeckt. Formine bilden den Keim linearer, unverzweigter Filamente und bleiben während der Dehnung mit dem Stachelende verbunden.
Mikrotubuli
Mikrotubuli sind Hohlzylinder mit einem Durchmesser von 25 nm, die aus α- und β-Tubulin-Heterodimeren bestehen, die sich Kopf-an-Schwanz zu Protofilamenten zusammenfügen, von denen typischerweise dreizehn die Mikrotubuli-Wand bilden. Mikrotubuli weisen eine dynamische Instabilität auf: Sie wechseln zwischen Wachstumsphasen (Polymerisation von GTP-Tubulin) und schnellen Schrumpfungsphasen (Katastrophe, ausgelöst durch GTP-Hydrolyse in der β-Tubulin-Untereinheit). Das Zentrosom dient als primäres Mikrotubuli-Organisationszentrum in tierischen Zellen und enthält ein Zentriolpaar, das von perizentriolarem Material umgeben ist, das reich an γ-Tubulin-Ringkomplexen ist, die Mikrotubuli bilden. Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs) wie MAP2 und Tau stabilisieren Mikrotubuli, während Katanin sie durchtrennt. Der Wirkstoff Taxol stabilisiert Mikrotubuli und wird als Chemotherapeutikum eingesetzt, während Colchicin und Nocodazol die Depolymerisation fördern.
Zwischenfilamente
Zwischenfilamente haben einen Durchmesser von 10 nm und bestehen aus verschiedenen gewebespezifischen Proteinen. Zu den zytoplasmatischen Zwischenfilamenten gehören Keratine in Epithelzellen, Vimentin in mesenchymalen Zellen, Desmin in Muskelzellen, fibrilläres saures Gliaprotein in Astrozyten und Neurofilamente in Neuronen. Kernzwischenfilamente (Lamine A, B und C) bilden die Kernschicht unter der inneren Kernmembran und sorgen für die mechanische Unterstützung des Kerns und die Verankerung des Chromatins. Im Gegensatz zu Aktin und Mikrotubuli sind Zwischenfilamente unpolar und nutzen keine Nukleotidhydrolyse zur Polymerisation. Sie verleihen Zellen und Geweben mechanische Widerstandsfähigkeit, und Mutationen in Zwischenfilamentgenen verursachen Krankheiten wie Epidermolysis bullosa simplex (Keratin), Kardiomyopathie (Desmin) und Progerie (Lamin A).
Motorproteine
Myosine sind Aktin-basierte Motorproteine, die sich zum Stachelende von Aktinfilamenten bewegen (Myosin der Klasse II im Muskel, Myosin der Klasse V beim Vesikeltransport). Myosin II bildet bipolare Filamente, die antiparallele Aktinfilamente aneinander vorbeigleiten lassen und so die Muskelkontraktion und Zytokinese vorantreiben. Kinesine sind auf Mikrotubuli basierende Motoren, die sich typischerweise in Richtung des Plus-Endes (in Richtung der Zellperipherie) bewegen und Vesikel, Organellen und mRNA entlang der Spuren der Mikrotubuli transportieren. Dyneine sind auf Mikrotubuli basierende Motoren, die sich zum Minusende (in Richtung Zentrosom) bewegen, den retrograden axonalen Transport in Neuronen antreiben, den Golgi-Apparat positionieren und den Zilien- und Flagellenschlag antreiben. Eine Funktionsstörung motorischer Proteine führt zu Erkrankungen wie Amyotropher Lateralsklerose (Kinesin-Mutationen) und primärer Ziliardyskinesie (Dynein-Mutationen).
Zytoskelett bei der Zellteilung
Während der Mitose zerfällt die Interphase-Mikrotubuli-Anordnung und wird in die mitotische Spindel umorganisiert, eine bipolare Anordnung von Mikrotubuli, die über Kinetochoren an Chromosomen binden. Der Kontrollpunkt der Spindelbaugruppe gewährleistet die korrekte bipolare Befestigung vor Beginn der Anaphase. Kinesin-5 (Eg5) vernetzt und verschiebt antiparallele Mikrotubuli, um die Spindelpole zu trennen. Das Aktin-Zytoskelett bildet während der Zytokinese den kontraktilen Ring an der Spaltfurche, der aus Aktinfilamenten und Myosin II besteht, die sich zusammenziehen, um die Zelle zu teilen. Die Bildung und Abszision des Mittelkörpers vervollständigen die Trennung der Tochterzellen.
Zellmotilität und -migration
Die Zellmigration ist ein zyklischer Prozess, der durch die Aktindynamik gesteuert wird. An der Vorderkante bilden der Arp2/3-Komplex und Formine verzweigte und lineare Aktinnetzwerke, die die Plasmamembran nach vorne schieben und so Lamellipodien und Filopodien bilden. Fokale Adhäsionen verbinden das Aktin-Zytoskelett über Integrine mit der extrazellulären Matrix und sorgen so für Traktion. Der Zellkörper bewegt sich vorwärts, während die Aktin-Myosin-Kontraktion hintere Adhäsionen löst. Bei der Chemotaxis handelt es sich um eine gerichtete Zellmigration entlang chemischer Gradienten, die durch GPCR-Signale vermittelt wird, die PI3K, Rac und Cdc42 aktivieren, die wiederum die Aktinpolymerisation regulieren. Zellen bewegen sich auch durch dreidimensionale Umgebungen, indem sie Matrix-Metalloproteinasen verwenden, um extrazelluläre Matrix abzubauen, oder indem sie Amöbenbewegungen nutzen, die sich durch Lücken quetschen.
