细胞迁移

第13章细胞迁移一、细胞迁移的过程二、微丝骨架在细胞迁移中的作用三、整合素介导的黏附结构的装配和解聚四、Rho家族小GTP酶的调节作用五、微管骨架在细胞迁移中的功能六、细胞迁移参与的生理活动及相关疾病主要内容细胞迁移概念：细胞在胞外信号的激活和引导下，通过一系列黏附与去黏附过程而在支持物上产生的整体位移。细胞迁移迁移方式分类：1.依据细胞迁移的支撑物的几何性质的不同可分为三类，一维（线状支撑物上）、二维（培养皿上）、三维（胞外基质构成的凝胶层上）2.依据迁移方向可分为两类，无规律的自由迁移（散在培养的细胞）和定向迁移（胚胎、组织发生和免疫系统中）13-1细胞迁移的基本过程一、细胞迁移的步骤①伪足向前伸展②伸出的伪足黏附胞外基质③细胞体迁移④细胞后缘缩回细胞迁移二、伪足的形成伪足丝状伪足（探测周围环境信号）片状伪足（推动细胞前缘向前运动）13-2微丝骨架在细胞迁移中的作用一、微丝的装配与解聚微丝，也称为纤维状肌动蛋白(F-actin),是由球状肌动蛋白(G-actin)单体聚合而成的纤维状结构。G-actin是一种ATP酶，结构具有极性，它们聚合而成的微丝同样具有极性。因此，微丝的两端根据末端单体肌动蛋白暴露出的形状分别称为倒刺端(正端)和尖端(负端)。微丝的聚合和解聚是动态的过程。当一根微丝上倒刺端的聚合与尖端的解聚速率相等时，这根微丝的长度不变，即所谓的“稳定期”，这一现象称为踏车行为。肌动蛋白单体和微丝的结构图微丝的装配第一步：成核反应原料：2~3个肌动蛋白单体组成的寡聚体、肌动蛋白相关蛋白Arp2/3复合物第二步：纤维延长原料：肌动蛋白单体、ATP由于微丝两端在结构上的差异，新的肌动蛋白亚基一般在倒刺端加入，而很少在负极端加入。微丝装配中ATP的作用当ATP-actin浓度高时,微丝加快生长,在微丝末端形成一连串的ATP-actin,称为ATP帽；当ATP-actin浓度下降时,微丝结合的ATP转为ADP,当ADP-actin暴露出来后,微丝去组装变短。微丝装配中ATP的作用当ATP-actin处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在（+）端添加、而在（-）端开始分离，表现出踏车现象。踏车行为微丝的动态性伪足中的微丝片状伪足与丝状伪足的形成有赖于微丝弹性布朗棘轮模型应力纤维与收缩力应力纤维，也称张力丝，由大量平行和反平行排列的微丝构成的束状结构。两端与整合素介导的黏附结构—黏着斑紧密结合，是胞体前移和尾部回缩所需的牵引力和收缩力的主要提供者，而其中的肌球蛋白家族是收缩力的来源所在。肌球蛋白家族依赖于微丝的肌球蛋白是一类分子马达，利用水解ATP产生的能量有规则的沿微丝骨架运输所携带的“货物”。在细胞迁移过程中，Ⅱ型肌球蛋白在应力纤维中提供收缩力，Ⅶ型肌球蛋白与细胞和胞外基质的黏附有关。肌球蛋白家族肌球蛋白结构域马达区，具有ATP结合位点和肌动蛋白结合位点调控区，决定肌球蛋白的亚型尾部区，促进肌球蛋白自身寡聚化肌球蛋白可以被肌球蛋白轻链激酶（MLCK）激活或被肌球蛋白轻链磷酸酯酶（MLCP）抑制。13-3整合素介导的黏附结构的装配和解聚细胞与胞外基质的黏附主要依赖于整合素这个跨膜蛋白质家族所介导的黏着复合物、黏着斑等黏着结构。这些结构不仅能为微丝产生产生的力提供支撑点，还是细胞对机械力的一种感受器。黏附结构新生黏着位点黏着复合物黏着斑黏附结构的动态性新生黏着位点的建立黏着复合物的形成黏着斑的产生黏附结构的组成胞内的黏着分子，如距蛋白、Paxillin、黏着斑激酶（FAK)、Vinculin、Zyxin等，会结合或被招募到黏附结构中整合素的胞内结构域上，形成复杂而且巨大的蛋白质复合物，并最终与微丝骨架相连。Paxillin和Tali可以直接结合整合素的胞内区，因此在最早期的黏附结构中就可能会出现。FAK和Vinculin都能结合Paxillin。FAK出现在黏着复合物和黏着斑中，而Zyxin则主要出现在黏着斑中，并在细胞受到周期性牵张力作用时可转位到应力纤维上。黏着复合物和黏着斑都能够完全解聚，解聚所得的蛋白质分子会被再次投入使用，这个过程被称为“周转”。13-4Rho家族小GTP酶的调节作用一、Rho家族小GTP酶的活性调节小GTP酶具有信号传导开关的作用，当结合GTP/GDP时，会分别处于激活/失活状态，从而传递或关闭信号。GEF:鸟嘌呤核苷酸交换因子GAP:GTP酶激活蛋白GDI:尿苷酸解离抑制因子Rho、Rac、Cdc42在细胞迁移中的作用二、Cdc42与细胞极性极性是指细胞结构和形态在特定条件下表现出的方向性。微丝骨架：前缘拖尾缘分枝状微丝组成的伪足拱状微丝束部分应力纤维组成的片层应力纤维为主的细胞中后部微管组织中心在培养的上皮细胞、成纤维细胞、星形胶质细胞等类型的细胞中，微管组织中心(MTOC)会定位于细胞核与前缘之间。由于高尔基体等内膜细胞器主要富集在MTOC周围，因而它们的分布也发生了极性化细胞极性的建立胞外信号GEF、GAPCdc42Par6PKCζGSK3βAPC复合物MTOC极性建立三、Rac与片状伪足Rac亚家族主要在细胞前端被活化并发挥作用，其代表成员为Rac1。Rac主要调控分枝状微丝的聚合，因而面对片状伪足的形成和功能有关键作用。在细胞中过量表达激活的Rac1，会诱导伪足在细胞周边大量形成。这些细胞尽管伪足发达，但没有前-后极性，内部力量互相抵消，因此缺乏迁移能力。片状伪足的形成RacWAVE复合物WAVE/Scar、Abi、Nap125、Sra1、HSPC300Arp2/3四、Rho与黏着斑和应力纤维Rho亚家族以RhoA为代表。Rho通常被认为在细胞后端发挥作用，其主要功能包括黏着斑动态性和应力纤维收缩力的调节。但是，也有报道发现RhoA在前端有激活。在细胞中过量表达激活形式的RhoA可导致大量粗壮的应力纤维和黏着斑的形成。RhoA信号调节Rho-GEFRho-GTPROCKMLCKMLCPmDia1LIMKcofilin调节束状微丝的形成调节肌球蛋白的收缩力调节肌动纤维的稳定性五、Rho家族在细胞迁移中的协同作用Cdc42Rac1RhoAPar3TIAM1PAKβPIXLMW-PTPROCK13-5微管骨架在细胞迁移中的作用微管是由13条原纤维构成的管状结构，直径22~25nm。每一条原纤维由2个非常相似的球状蛋白（α-微管蛋白和β-微管蛋白）结合而成的异二聚体。具有极性，其聚合速率较快的一端称作正端，聚合较慢或解聚的一端称作负端。在α-微管蛋白和β-微管蛋白上各有一个GTP结合位点。可能由于构象原因，在α-微管蛋白上的GTP不会被水解，因而被称为不可交换位点，而β-微管蛋白上的GTP在组装成微管时被水解，微管去组装时，GDP被GTP替换，称为可交换位点。微管和微管蛋白微管组装的过程与踏车行为13-6细胞迁移参与的生理活动及相关疾病一、胚胎发育第一阶段：原肠胚的形成第二阶段：器官形成第三阶段：器官继续发育直至功能成熟相关疾病1.早期胚胎致死2.组织异常和器管畸形，如先天性心脏畸形3.神经系统性遗传病，如Ⅰ型无脑回症二、成体维护1.损伤修复当机体受到极性损伤时，修复机制会立刻启动。蛀牙活动包括细胞的增值和迁移，以补充损伤造成的细胞或组织损伤。免疫细胞和血小板也会迁移到损伤部位，参与消炎和凝血。新生血管的形成也需要血管内皮细胞的迁移。成体维护2.免疫反应在免疫系统中，淋巴细胞的定向迁移是其分化成熟和发挥功能的关键之一。相关疾病1.免疫类疾病，如风湿性关节炎2.欧德里综合征（WAVE/Scar和WASP出现突变或功能缺失）三、癌症转移癌症转移侵袭正常组织远端转移癌细胞的迁移同样依赖于微丝骨架的重组和小GTP蛋白Rho家族介导的信号通路，但上游信号通路和迁移的具体方式会各异。癌细胞通过自然选择可以获得并利用正常细胞具备的任何一种迁移方式进行转移。小结细胞迁移是最古老也最重要的动物细胞生理活动之一。细胞迁移是一个高度动态和协调的复杂过程，需要胞外信号的诱导、微丝系统提供的动力，以及整合素介导的黏附结构提供的附着力。定向迁移还需要微管骨架的参与。以Rac,Rho和Cdc42为代表的Rho家族小GTP酶是细胞迁移的核心调控因子。细胞迁移在胚胎发育、组织形成、免疫活动、损伤修复等生理过程，以及炎症、癌症转移等病理过程中都有重要的作用。