细胞骨架与细胞运动

医学细胞生物学第七章细胞骨架与细胞运动，知识点有微管、中间纤维、细胞的运动、细胞骨架与疾病、微丝等方面。

细胞骨架与细胞运动

• 微管（microtubule)
  • 定义：普遍存在于所有真核细胞中的，由微管蛋白和微管结合蛋白组成的中空圆柱状结构。
  • 一、微管的化学组成与结构
    • 结构:以微管蛋白α、β异二聚体为基本构件的中空小管，从横截面看一圈有13个微管蛋白。
    • 化学组成
      • 微管蛋白（也称管蛋白，tubulin）
        • α管蛋白（α-tubulin）
        • β管蛋白（β-tubulin）
        • 占微管蛋白含量的80％～95％，组成微管蛋白α，β异二聚体，是微管装配的基本结构单位。
        • γ微管蛋白（γ-tubulin）：占微管总蛋白的1％，位于微管组织中心。
        • 微管在细胞中的三种存在形式
          • 单管：13根原纤维，是细胞质中的主要存在形式，不稳定，易解聚。
          • 二联管:13+10根原纤维，构成纤毛和鞭毛的杆部。
          • 三联管：13+10+10根原纤维，构成纤毛和鞭毛的基体（根部)。
      • 微管结合蛋白(microtubule associated protein,MAP)
        • 自身不构成微管，但是结合在微管表面的辅助蛋白，负责调节微管装配，维持微管的稳定及功能。
        • 主要包括：MAP-1,MAP-2,tau和MAP-4等
        • MAP由两个区域组成
          • 碱性区域与微管结合，可明显加快微管的成核作用
          • 酸性区域与其他骨架纤维或细胞器连接，突出区域的长度决定微管在成束时的间距大小
        • 作用：调节微管装配、增加微管稳定性和强度、参与执行微管功能等。
  • 二、微管的装配与动力学
    • （一）微管的体外装配
      • 过程
        • 成核期（nucleation phase）
          • a.微管蛋白α、β异二聚体头尾相连形成原纤维→b.原纤维横向连接形成片层→c.片层收拢形成微管
        • 聚合期（polymerization phase）
          • d.新的异二聚体不断增加到微管两端，同时也有异二聚体脱落但聚合速度较快，增长速度较快，微管延长。增长速度快的一端为正端，另一端为负端
        • 稳定期（steady state phase）
          • e.聚合与解聚速度相等，微管长度不变
      • GTP与微管装配的动态不稳定性（dymaic instability）
      • 条件：临界浓度（约为1mg/mL）、有Mg2＋存在（无Ga2＋存在)、适当的pH（pH6.9)、温度（37℃）、GTP
    • （二）微管的体内装配 （也具有动态不稳定性）
      • 特点
      • 微管组织中心（microtubule organizing center,MTOC）
        • 中心体（centrosome）:动物细胞中决定微管形成的一种细胞器，是由一对相互垂直的中心粒和中心粒旁物质构成。 中心粒（centriole）：是由9组三联体微管围成的一个圆筒状结构。在中心粒周围有许多γ-微管蛋白环，微管由此发出形成星状体，继而延伸形成微管网架。
        • 纤毛和鞭毛的基体：由9组三联管组成，结构与中心体相似。
    • （三）影响微管集合与解聚的主要因素
  • 三、微管的功能
    • （一）微管构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态
      • 维持细胞形态是微管的基本功能
      • 例如：环形微管是血小板骨架的主要组成部分，它们在血小板中的排列对维持血小板的形状有重要作用。
    • （二）微管参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成
    • （三）微管参与细胞内物质运输
      • 动力蛋白(dynein):沿微管正端向负端运动
      • 驱动蛋白（kinesin):沿微管负端向正端运动
      • 球状头部:ATP结合部位（ATP酶），微管结合部位 尾部：特异性结合“货物”
      • 肌球蛋白（myosin）：沿微丝运动
      • 马达蛋白（motor protein):介导细胞内物质沿细胞骨架运输
    • (四)微管维持细胞内细胞器的定位和分布
      • 线粒体：沿微管分布
      • 游离核糖体：附着于微管和微丝的交叉点
      • 内质网:在驱动蛋白介导下，由核周向胞质外周展开
      • 高尔基复合体：在动力蛋白介导下，由胞质外周向核周展开
    • （五）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂
    • （六）微管参与细胞内信号转导
      • 微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号转导通路。信号分子可直接与微管作用或通过马达蛋白和一些支架蛋白来与微管作用。
• 微丝（microfilament,MF）
  • 定义
    • 又称肌动蛋白丝，是由肌动蛋白(actin)组成的细丝，普遍存在于真核细胞中，在肌肉细胞中肌动蛋白占细胞总蛋白的10％，在非肌肉细胞中占1％～5％
  • 一、微丝的组成与结构
    • 微丝的主要成分是肌动蛋白（actin）。
    • 游离的肌动蛋白单体外观呈亚铃型，称为G-肌动蛋白(G-球形-肌动蛋白)（G-actin），有极性，分子量约为42kD，有ATP/ADP、Mg2+和Ca2+结合位点。
    • 肌动蛋白单体头尾相连形成螺旋状纤维， 称为F-肌动蛋白（纤维状-肌动蛋白）（F-actin）。
    • 2条平行的肌动蛋白单链以右手螺旋方式盘绕而成实心细丝状结构，直径约5-7nm，即为微丝。
  • 二、微丝结合蛋白及其功能
    • 细胞内微丝的有序结构依赖于微丝结合蛋白（actin-binding protein）
    • 单体隔离蛋白
    • 交联蛋白
    • 末段阻断蛋白
    • 纤维切割蛋白
    • 肌动蛋白纤维解聚蛋白
    • 膜结合蛋白
    • 种类
  • 三、微丝的装配机制
    • （一）微丝的组装过程
      • 成核期：形成三聚体核心（多发生在细胞膜的下方） 延长期：G-actin在核心两端聚集，由于肌动蛋白具有极性，其在微丝两端的聚合速度有差异，聚合速度较快的一端为正端，另一端为负端。 稳定期：组装速度与解离速度一致
        • F-actin的聚合过程不需要能量
    • （二）微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释
      • 踏车模型:在微丝装配时，肌动蛋白分子聚合与解离同时发生，当聚合的速率正好等于解离的速率时，微丝净长度没有改变，这种过程称为肌动蛋白的踏车行为。
      • 非稳态动力学模型:ATP是调节微丝组装的动态不稳定性的主要因素。
    • (三)影响微丝组装的因素
      • G-actin浓度
      • ATP
      • 离子浓度：Mg2+、高浓度Na+ 、K+时，微丝组装；如为Ca2+、低浓度Na+、K+时，微丝趋于解聚
      • 药物：细胞松弛素（抑制微丝聚合） 鬼笔环肽（抑制微丝解聚）
  • 四、微丝的功能
    • （一）微丝构成细胞的支架并维持细胞的形态
      • ①形成细胞皮层：在细胞膜下，由微丝与肌动蛋白结合蛋白相互作用形成的网状结构，为细胞膜提供强度与韧性支撑。
      • ②构成应力纤维：由微丝和肌球蛋白Ⅱ丝组成的可收缩微丝束，与细胞长轴平行，赋予细胞韧性及强度。
      • ③构成微绒毛：微丝由绒毛蛋白、毛缘蛋白等连接成束，构成微绒毛骨架，肌球蛋白和钙调蛋白等与微丝束横向连接， 并与质膜相连，维持微绒毛的直立形态及摆动。
    • （二）微丝参与细胞运动
    • （三）微丝参与细胞分裂的胞质分裂
      • 有丝分裂末期，继核分裂完成后， 微丝与肌球蛋白Ⅱ（Myosin Ⅱ）在赤道面细胞膜下形成收缩环（contractile ring），通过微丝与肌球蛋白Ⅱ之间的相对滑动，使收缩环变小，细胞膜随之内陷，最终一分为二。
    • （四）微丝参与肌肉收缩
      • 骨骼肌收缩的基本结构单位——肌小节（sarcomere)的主要成分是肌原纤维。
      • 肌原纤维由粗肌丝（thick myofilament）和细肌丝（thin myofilament)组成。
        • 粗肌丝：由肌球蛋白（mysin）组成
        • 细肌丝（肌动蛋白）:由肌动蛋白、原肌球蛋白(tropomyosin)和肌钙蛋白（troponin）
      • 粗、细肌丝交错排列，肌肉收缩是粗、细肌丝之间相对滑动的结果。
    • （五）微丝参与细胞内物质运输
      • 微丝在微丝结合蛋白介导下可与微管一起进行细胞内物质运输，例如小泡的运输，通过肌球蛋白-Ⅰ微丝结合，将小泡沿微丝的负端向正端移动。另外，肌球蛋白Ⅰ的尾部与质膜结合，利用其头部可将微丝从一个部位运向另一个部位。
        • 与胞质环流有关
    • (六)微丝参与细胞内信号传递
      • 细胞外的某些信号分子与细胞膜上的受体结合，可触发膜下肌动蛋白的结构变化，从而启动细胞内激酶变化的信号转导过程。例如：Rho信号通路通过微丝调节细胞黏附和细胞运动，其活性异常往往与细胞癌变有关。
• 细胞骨架与疾病
  • 一、细胞骨架与肿瘤
    • 肿瘤细胞内微管数量减少、网架紊乱甚至消失；微丝失去正常结构 ，肌动蛋白形成“肌动蛋白小体”，增加了癌细胞的运动能力。
    • 微管、微丝可作为肿瘤化疗药物的作用靶点。
    • .中间纤维蛋白具有组织细胞特异性分布的特点可用作临床肿瘤病理诊断工具 。
  • 二、细胞骨架与神经系统疾病
    • 微管结合蛋白tau过度磷酸化导致微管稳定性降低与阿尔茨海默病有关；
    • 帕金森病、 阿尔茨海默病、肌萎缩性侧索硬化症、幼稚性脊柱肌肉萎缩症等都与神经丝蛋白（一种中间纤维蛋白）的异常表达与异常修饰有关。
  • 三、细胞骨架与遗传性疾病
    • 人类纤毛不动综合征（表现为男性不育、慢性支气管炎等）与微管及动力蛋白异常有关；
    • 遗传性单纯性大疱性表皮松解症与角蛋白（上皮细胞的中间纤维蛋白）基因突变有关；
    • Wiskott Aldrich综合征（小儿紫斑湿疹综合征）病因未明，但由于患者T淋巴细胞骨架异常、微绒毛数量减少，考虑与微丝异常有关。
• 细胞的运动
  • 极少数细胞通过纤毛和鞭毛进行运动，绝大多数细胞是通过爬行的方式在细胞外基质或固体表面上运动。
  • 一、微管与细胞运动
  • 二、微丝与细胞运动
    • 细胞变形运动
    • 肌动蛋白聚合与细胞伪足的形成
• 中间纤维(intermediate filament，IF)
  • 一、结构、组成和类型
    • 形态结构
      • 直径10nm的纤丝，结构稳定、坚韧
    • 化学组成
      • 由中间纤维蛋白构成，中间纤维蛋白是长的线性蛋白，由头部（N端）、中间杆区和尾部（C端）组成。
      • 杆状区高度保守(进化变化不大)
        • 中间纤维分子质量的大小取决于尾部的变化
      • 不同亚型之间的区别主要在头、尾部的大小（长度）和氨基酸组成
    • 中间纤维蛋白的类型和分布较为复杂
      • 中间纤维的种类和成分可随细胞的生长或成熟而改变。
        • 标注
          • 鉴定中间纤维蛋白类型→知道细胞类型
          • 与细胞分化有关
      • 不同类型的中间纤维蛋白的分布体现了组织细胞特异性。
  • 二、中间纤维的装配与调节
    • 装配方式
    • 装配特点
      • ①自我组装，不需要ATP和结合蛋白，不受药物影响
      • ②细胞内的中间纤维蛋白绝大部分以组装形式存在，只有少量游离性四聚体
      • ③其装配方式决定了中间纤维是一种非极性的、稳定牢固的细胞骨架纤维
    • 调控机制
      • 通过中间纤维蛋白氨基某端特殊位点的磷酸化状态来控制的
        • 磷酸化——中间纤维网络解体
        • 去磷酸化——中间纤维网络组装
      • 例如
        • 有丝分裂前期，核纤层蛋白磷酸化→核纤层(核膜)解体
        • 有丝分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化→核纤层（核膜重组）
  • 三、中间纤维的功能
    • （一）中间纤维在细胞内形成一个完整的网状骨架系统
      • 中间纤维在胞质中形成精细发达的纤维网络，外与细胞膜及细胞外基质相连，中间与微管、微丝和细胞器相连，内通过核孔复合体与核纤层、核骨架相连，贯穿整个细胞起着广泛的骨架功能。
    • （二）中间纤维为细胞提供机械强度支持
      • 中间纤维结构稳定、坚韧，对化学药物不敏感，比微管、微丝更耐受剪切力，在维持细胞机械强度方面有重要作用。
    • （三）中间纤维参与细胞连接（锚定连接）
      • 细胞的中间纤维网络通过细胞膜上的桥粒、半桥粒与相邻细胞、细胞外基质连接，赋予组织细胞抵抗压力、牵拉力的韧性。
      • 桥粒介导细胞与细胞之间的黏附，半桥粒介导细胞与细胞外基质之间的黏附。
    • （四）中间纤维参与细胞内信息传递及物质运输
      • 中间纤维与DNA复制、转录和 mRNA的运输有关，胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用。
    • （五）中间纤维维持核膜稳定
      • 细胞核内膜下的核纤层由中间纤维蛋白中的核纤层蛋白构成。
    • （六）中间纤维参与细胞分化
      • 中间纤维蛋白的表达具有严格的组织细胞特异性，说明其与细胞分化密切相关。该特点可用于干细胞及细胞分化研究以及鉴别肿瘤细胞来源。
• 微丝
• F-actin
• G-actin