第十章 细胞骨架

第十章细胞骨架(Cytoskeleton)概述细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系有狭义和广义两种概念◆在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。◆在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。●细胞质骨架●核骨架第一节细胞质骨架●微丝(microfilament,MF)●微管（microtubules,MT）●中间纤维（intermediatefilament,IF)●细胞骨架结构与功能总结第二节细胞核骨架●核基质(NuclearMatrix)●染色体骨架●核纤层(NuclearLamina)一、微丝(microfilament,MF)又称肌动蛋白纤维(actinfilament),是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。●成分●装配●微丝结合蛋白●微丝特异性药物●微丝功能●肌肉收缩(musclecontraction)成分●肌动蛋白(actin)是微丝的主要结构成分,外观呈哑铃状,这种actin又叫G-actin，将G-actin形成的微丝又称为F-actin。装配◆MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性,装配时呈头尾相接,故微丝具有极性，既正极与负极之别。◆体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。◆两条F-肌动蛋白链螺旋盘绕形成微丝（或1条形成的螺旋链）微丝特异性药物◆细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。◆鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚。微丝结合蛋白整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到不同的细胞骨架结合蛋白的调节。◆与肌肉收缩有关的微丝结合蛋白◆非肌肉细胞中的微丝结合蛋白·Parallelbundle:MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与丝状伪足。·Contractilebundle:MF反向平行排列，主要发现于应力纤维和有丝分裂收缩环。·Gel-likenetwork:细胞皮层(cellcortex)中微丝排列形式，MF相互交错排列。微丝功能◆维持细胞形态，赋予质膜机械强度◆细胞运动◆微绒毛(microvillus)◆应力纤维(stressfiber)◆参与胞质分裂◆肌肉收缩(musclecontraction)微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构，维持细胞形状和赋予质膜机械强度，如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。◆细胞质流动胞质川流和穿梭运动◆细胞运动（1）变形运动（变形虫式运动）阿米巴运动：（amoeboidmovement）（2）褶皱膜运动（变皱膜运动）（3）形态发生运动细胞运动是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。微绒毛(microvillus)应力纤维（stressfiber）广泛存在于真核细胞。微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维,具有收缩功能。成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。肌肉收缩(musclecontraction)肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。◆肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)◆肌小节的组成◆肌肉收缩系统中的有关蛋白◆肌肉收缩的滑动模型◆由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程肌肉收缩系统中的有关蛋白①肌球蛋白(myosin)头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。·MyosinⅡ主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部链,多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosinfilament,即粗肌丝。②原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由两条平行的多肽链形成α-螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,结合于细丝,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。③肌钙蛋白(Troponin,Tn)为复合物，包括三个亚基：TnC(Ca2+敏感性蛋白)能特异与Ca2+结合;TnT(与原肌球蛋白结合);TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程·动作电位的产生·Ca2+的释放·原肌球蛋白位移·肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动·Ca2+的回收二．微管（Microtubules）●微管结构与组成●装配●微管特异性药物●微管组织中心(MTOC)●微管结合蛋白(MAP)●微管功能微管结构与组成（一）成分：α，β微管蛋白，其二聚体是微管装配的基本单位。在二聚体上有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点；一个秋水仙素的结合位点；一个长春花碱的结合位点。（二）形态：长管状结构，外径24nm，内径15nm，其壁包括13条原显微。微管可装配成单管,二联管(纤毛和鞭毛中),三联管(中心粒和基体中)。装配◆装配方式◆所有的微管都有确定的极性。有“头”、“尾”之分。微管的起始端为尾，（-）极，生长端为头，（+）极，（-）极指向MTOC，（+）极背向MTOC。装配主要在（+）极添加或释放异二聚体。◆具有踏车现象。在一定条件下，微管一端发生装配使微管延长，而另一端发生去装配而使微管缩短，这一现象称踏车现象。微管装配过程首先α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ二聚体,然后αβ二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament),进一步经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带,当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。然后在端部不断添加二聚体使微管延长。·微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象·动力学不稳定性产生的原因：微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微管将继续组装,反之,无GDP帽则解聚。微管特异性药物◆秋水仙素(colchicine)阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。◆紫杉酚(taxol)和重水（D2O）能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。微管组织中心(MTOC)◆概念：◆常见微管组织中心微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。常见微管组织中心◆间期细胞MTOC：中心体(动态微管)◆分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管)◆鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构)中心体(centrosome)中心体(centrosome)结构基体(basalbody)·位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basalbody）微管结合蛋白(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP)微管功能◆维持细胞形态◆细胞内物质的运输◆鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动◆纺锤体与染色体运动◆基体(basalbody)、中心体(centrosome)◆细胞器的定位维持细胞形态用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持,微管亦起关键作用。细胞内物质的运输真核细胞内部是高度区域化的体系,细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其Motorprotein有关。·Motorproteins·神经元轴突运输的类型及运输模式·色素颗粒的运输Motorproteins目前已鉴定的Motorproteins多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。胞质中微管motorprotein分为两大类：驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动动力蛋白(cytoplasmicdynein)：朝微管的负极运动Kinesin与Dynein的分子结构Kinesin与Dynein的运输方式神经元轴突运输的类型种类速度成分快速转运顺梯度逆梯度50-400mm/天200mm/天膜性细胞器和物质、线粒体、突触小泡前溶酶体小泡、溶酶体酶、内吞小泡慢速转运慢成分b慢成分a2-8mm/天0.2-1mm/天微丝(肌动蛋白和结合蛋白)、血影蛋白、包涵素、钙调蛋白微管(管蛋白、MAPs、tau)、神经纤维(三联体蛋白质)、血影蛋白轴突运输的类型鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动·纤毛与鞭毛的结构·纤毛和鞭毛的运动形式·纤毛运动机制三、中间纤维（intermediatefilament,IF)10nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间,故被命名为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。在内核膜下的核纤层也属于IF。●中间纤维的成分与分布●中间纤维的装配●中间纤维的功能中间纤维的装配◆中间纤维装配过程◆IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：·IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；·反向平行的四聚体导致IF不具有极性；·IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助，在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚)。中间纤维的成分与分布IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性。IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。◆中间纤维类型与分布◆中间纤维蛋白的分布具有严格的组织特异性中间纤维分类与分布中间纤维的功能◆增强细胞抗机械压力的能力◆角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持◆结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用◆神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用◆参与传递细胞内机械的或分子的信息◆中间纤维与mRNA的运输有关◆中间纤维在细胞分化中的作用第二节细胞核骨架●核基质(NuclearMatrix)●染色体骨架●核纤层(NuclearLamina)核基质(NuclearMatrix)●形态结构●成分●功能形态结构◆研究核骨架的分级抽提方法非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分随之流失;再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去,胞质中只有中间纤维网能完好存留;然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提,最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络,结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法,可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。成分核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA。核骨架结合序列◆DNA序列中的核骨架结合序列(matrixassociatedregion,MAR)这部分DNA与核骨架蛋白的结合不为高盐溶液抽提所破坏,在基因表达调控中有作用◆核骨架结合序列的基本特征◆MAR的功能·通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上；·作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。核骨架结合序列的基本特征·富含AT·富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements)·富含反向重复序列(InvertedRepeats)·含有转录因子结合位点。功能◆核骨架与DNA复制◆核骨架与基因表达大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。◆核骨架与病毒复制◆核骨架与染色体构建二、染色体骨架●染色体骨架/放射环模型●染色体骨架的真实性◆银染法能选择性地显示染色体轴结构◆DNA酶和RNA酶处理或用0.4mol/LH2SO4处理去除组蛋白,对染色体轴没有影响,用胰蛋白酶消化则染色体轴破坏,说明染色体轴是非组蛋白性的。◆染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接证据●染色体骨架与染色体高级结构三、核纤层(NuclearLamina)●核纤层分布与形态结构●成分——核纤层蛋白(Lamin)●核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系●核纤层蛋白在细胞分化中的表达●核纤层在细胞周期中的变化