細(xì)胞骨架Cytoskeleton優(yōu)秀課件

第九章細(xì)胞骨架(Cytoskeleton)

●概念：細(xì)胞骨架是指存在于真核細(xì)胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系

◆狹義：細(xì)胞質(zhì)骨架，包括微絲、微管和中間纖維。

◆廣義：細(xì)胞質(zhì)骨架、細(xì)胞核骨架、膜骨架和細(xì)胞外基質(zhì)?！窆δ埽壕S持細(xì)胞形態(tài)，保持細(xì)胞內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)，參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、細(xì)胞分裂、基因表達(dá)、細(xì)胞分化等。細(xì)胞質(zhì)各種骨架蛋白以單體形勢(shì)非共價(jià)結(jié)合，構(gòu)成纖維型多聚體。微絲確定細(xì)胞表面特征，使細(xì)胞能夠運(yùn)動(dòng)和收縮。微管確定膜性細(xì)胞器的位置和作為運(yùn)輸導(dǎo)軌。中間纖維使細(xì)胞具有張力和抗剪切力。其它骨架成分：核骨架、核纖層、膜骨架、細(xì)胞外基質(zhì)。細(xì)胞骨架的主要功能（圖片來(lái)自G.Karp2002）第二節(jié)細(xì)胞核骨架●核基質(zhì)(NuclearMatrix)●染色體骨架●核纖層(NuclearLamina)一、微絲(microfilament,MF)

又稱(chēng)肌動(dòng)蛋白纖維(actinfilament),是指真核細(xì)胞中由肌動(dòng)蛋白(actin)組成（由兩條線性排列的肌動(dòng)蛋白鏈形成的螺旋）直徑為7nm的骨架纖維。形狀如雙線捻成的繩子，直徑約7nm?！癯煞帧裱b配●微絲結(jié)合蛋白●微絲特異性藥物●微絲功能成分肌動(dòng)蛋白(actin)是微絲的結(jié)構(gòu)成分,相對(duì)分子質(zhì)量為43kD。肌動(dòng)蛋白單體外觀呈啞鈴狀。（單體稱(chēng)G-actin；多聚體稱(chēng)F-actin）根據(jù)等電點(diǎn)不同分為3類(lèi)（6種）肌動(dòng)蛋白：

α肌動(dòng)蛋白：4種（分布于肌細(xì)胞）

β肌動(dòng)蛋白：1種

γ肌動(dòng)蛋白：1保守性高，這些肌動(dòng)蛋白基因是從同一個(gè)祖先基因進(jìn)化而來(lái)。例如酵母和兔子的actin有88%的同源性。微絲的裝配條件：ATP、適宜溫度、K+和Mg2+。過(guò)程：2-3個(gè)actin聚集成核心（核化）；ATP-actin分子向核心兩端加合。極性：ATP-actin加到(+)極的速度要比加到(-)極的速度快5-10倍。踏車(chē)行為：?jiǎn)误w可同時(shí)在(+)端添加，在(-)端分離。微絲特異性藥物◆細(xì)胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲末端阻抑肌動(dòng)蛋白聚合,但對(duì)解聚沒(méi)有明顯影響，因而破壞微絲三維網(wǎng)絡(luò)?！艄砉P環(huán)肽(philloidin)：與微絲有強(qiáng)親和作用,使肌動(dòng)蛋白纖維穩(wěn)定，抑制MF解聚。只與F肌動(dòng)蛋白結(jié)合，不與G肌動(dòng)蛋白結(jié)合◆影響微絲裝配動(dòng)態(tài)性的藥物對(duì)細(xì)胞都有毒害，說(shuō)明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與肌動(dòng)蛋白單體庫(kù)間的動(dòng)態(tài)平衡。這種動(dòng)態(tài)平衡受actin單體濃度和微絲結(jié)合蛋白的影響。微絲結(jié)合蛋白

整個(gè)骨架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上受到不同的細(xì)胞骨架結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)?！粑⒔z結(jié)合蛋白和功能◆肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)微絲結(jié)合蛋白

肌球蛋白（myosin)、原肌球蛋白（Tm)、肌鈣蛋白（Tn)◆微絲結(jié)合蛋白將微絲組織成以下三種主要形式：

·Parallelbundle:MF同向平行排列，主要發(fā) 現(xiàn)于微絨毛與絲狀偽足?！ontractilebundle:MF反向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于應(yīng)力纖維和有絲分裂收縮環(huán)?！el-likenetwork:細(xì)胞皮層(cellcortex)中微絲排列形式，MF相互交錯(cuò)排列。微絲功能◆維持細(xì)胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度◆細(xì)胞運(yùn)動(dòng)◆微絨毛(microvillus)◆應(yīng)力纖維(stressfiber)◆參與胞質(zhì)分裂◆肌肉收縮(musclecontraction) 微絲遍及胞質(zhì)各處，集中分布于質(zhì)膜下，和其結(jié)合蛋白形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，維持細(xì)胞形狀和賦予質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度，如哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞膜骨架的作用。 是腸上皮細(xì)胞的指狀突起，用以增加腸上皮細(xì)胞表面積，以利于營(yíng)養(yǎng)的快速吸收。軸心微絲是非肌細(xì)胞中高度有序微絲束的代表，起著維持微絨毛形態(tài)的功能。無(wú)收縮功能。微絨毛(microvillus)應(yīng)力纖維（stressfiber）:廣泛存在于真核細(xì)胞。成分：肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動(dòng)蛋白。介導(dǎo)細(xì)胞間或細(xì)胞與基質(zhì)表面的粘著。應(yīng)力纖維在細(xì)胞形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞分化和組織的形成等方面具有重要作用。（細(xì)胞貼壁與粘著斑的形成相關(guān)，在形成粘著斑的質(zhì)膜下，微絲緊密平行排列成束，形成應(yīng)力纖維,具有收縮功能。）

收縮環(huán)由大量反向平行排列的微絲組成，其收縮機(jī)制是肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白相對(duì)滑動(dòng)。收縮環(huán)是非肌細(xì)胞中具有收縮功能的微絲束的典型代表。肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白

①肌球蛋白(myosin)—所有actin-dependentmotorproteins都屬于 該家族，其頭部具ATP酶活力,沿微絲從負(fù)極到正極進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 ·MyosinⅡ主要分布于肌細(xì)胞，有兩個(gè)球形頭部結(jié)構(gòu)域(具有ATPase活性)和尾部鏈,多個(gè)Myosin尾部相互纏繞，形成myosinfilament,即粗肌絲。

②原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由兩條平行的多肽鏈形成α-螺旋構(gòu)型,位于肌動(dòng)蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細(xì)絲,調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。

③肌鈣蛋白(Troponin,Tn)為復(fù)合物，包括三個(gè)亞基：TnC(Ca2+敏感性蛋白)能特異與Ca2+結(jié)合;TnT(與原肌球蛋白結(jié)合);TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)由神經(jīng)沖動(dòng)誘發(fā)的肌肉收縮基本過(guò)程 ·動(dòng)作電位的產(chǎn)生·Ca2+的釋放·原肌球蛋白位移·肌動(dòng)蛋白絲與肌球蛋白絲的相對(duì)滑動(dòng) ·Ca2+的回收二．微管（Microtubule,MT）●微管結(jié)構(gòu)與組成●裝配●微管相關(guān)蛋白(MAP)●微管特異性藥物●微管功能裝 配◆裝配方式

-微管蛋白和β-微管蛋白形二聚體,二聚體平行于長(zhǎng)軸重復(fù)排列形成原纖維(protofilament)，側(cè)面增加擴(kuò)展為片層，當(dāng)加寬至13根原纖維時(shí),即合攏形成一段微管?！羲械奈⒐芏加写_定的極性，微管蛋白加上或釋放主要發(fā)生與（＋）極，微管的延長(zhǎng)主要依靠在（＋）極裝配GTP微管蛋白，然后GTP水解為GDP或GTP與微管蛋白分離?！粑⒐苎b配是一個(gè)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定過(guò)程◆體外微管裝配條件:[\tubulin];pH6.9;Ca2+/Mg2+;37oC/0oC;GTP◆體內(nèi)微管裝配動(dòng)態(tài)：微管蛋白的合成是自我調(diào)節(jié)的；微管在體內(nèi)的裝配和去裝配在時(shí)間和空間上是高度有序的?！粑⒐芙M織中心（MTOC)微管組織中心

(microtubuleorganizingcenter,MTOC)◆概念：◆常見(jiàn)微管組織中心◆中心體(centrosome)◆基體(basalbody)●微管裝配的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性是指微管裝配生長(zhǎng)與快速去裝配的一個(gè)交替變換的現(xiàn)象。一定條件下，微管一端發(fā)生裝配使微管延長(zhǎng)，而另一端發(fā)生去裝配使微管縮短的現(xiàn)象稱(chēng)為踏車(chē)現(xiàn)象（行為）。

●動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因：微管兩端具GTP帽(取決于微管蛋白濃度),微管將繼續(xù)組裝,反之,具GDP帽則解聚。微管裝配是動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定過(guò)程微管特異性藥物◆秋水仙素(colchicine)阻斷微管蛋白裝配成微管，可破壞紡錘體結(jié)構(gòu)?！糇仙挤?taxol)能促進(jìn)微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。重水（D2O）也會(huì)促進(jìn)微管裝配，增加其穩(wěn)定性?！魹樾惺拐５奈⒐芄δ?微管動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性是其功能正常發(fā)揮的基礎(chǔ)。 在生理狀態(tài)或?qū)嶒?yàn)處理解聚后,微管重新裝配的發(fā)生處稱(chēng)為微管組織中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。MTOC決定了細(xì)胞微管的極性，微管的（－）極指向MTOC，（＋）極背向MTOC。動(dòng)物細(xì)胞的MTOC為中心體(centrosome);鞭毛和纖毛根部的類(lèi)似結(jié)構(gòu)稱(chēng)為基體（基粒）(basalbody)。

常見(jiàn)微管組織中心◆間期細(xì)胞MTOC：中心體(動(dòng)態(tài)微管)

◆分裂細(xì)胞MTOC：有絲分裂紡錘體極(動(dòng)態(tài)微管)

◆鞭毛纖毛細(xì)胞MTOC：基體(永久性結(jié)構(gòu))

中心體(centrosome) ·中心體(centrosome)結(jié)構(gòu)

·中心體復(fù)制周期

·γ管蛋白：位于中心體周?chē)幕|(zhì)中，環(huán)形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為αβ微管蛋白二聚體提供起始裝配位點(diǎn)，所以又叫成核位點(diǎn)

基體(basalbody)·位于鞭毛和纖毛根部的類(lèi)似結(jié)構(gòu)稱(chēng)為基體（basalbody）·中心粒和基體均具有自我復(fù)制性質(zhì)微管相關(guān)蛋白

(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP)MAP2TauHeat-sensitiveHeat-stable微管功能◆維持細(xì)胞形態(tài)◆細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸◆鞭毛(flagella)運(yùn)動(dòng)和纖毛(cilia)運(yùn)動(dòng)◆紡錘體與染色體運(yùn)動(dòng)◆細(xì)胞器的定位◆基粒和中心粒維持細(xì)胞形態(tài)

用秋水仙素處理細(xì)胞破壞微管,導(dǎo)致細(xì)胞變圓,說(shuō)明微管對(duì)維持細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)形狀是重要的。對(duì)于細(xì)胞突起部分,如纖毛、鞭毛、軸突的形成和維持,微管亦起關(guān)鍵作用。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸

真核細(xì)胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系,細(xì)胞中合成的物質(zhì)、一些細(xì)胞器等必須經(jīng)過(guò)細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程。這種運(yùn)輸過(guò)程與細(xì)胞骨架體系中的微管及其Motorprotein有關(guān)。

·馬達(dá)（引擎）蛋白Motorproteins ·神經(jīng)元軸突運(yùn)輸?shù)念?lèi)型及運(yùn)輸模式 ·色素顆粒的運(yùn)輸馬達(dá)（引擎）蛋白

（Motorproteins）目前已鑒定的Motorproteins多達(dá)數(shù)十種。根據(jù)其結(jié)合的骨架纖維以及運(yùn)動(dòng)方向和攜帶的轉(zhuǎn)運(yùn)物不同而分為不同類(lèi)型。胞質(zhì)中微管motorprotein分為兩大類(lèi)：驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesin):通常朝微管的正極方向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力蛋白(cytoplasmicdynein)：朝微管的負(fù)極運(yùn)動(dòng)Kinesin與Dynein的分子結(jié)構(gòu)

Kinesin與Dynein的運(yùn)輸方式神經(jīng)元軸突運(yùn)輸?shù)念?lèi)型鞭毛(flagella)運(yùn)動(dòng)和纖毛(cilia)運(yùn)動(dòng)·纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)形式

●鞭毛和纖毛三、中間纖維（intermediatefilament,IF) 10nm纖維,因其直徑介于粗肌絲和細(xì)肌絲之間,故被命名為中間纖維。IF幾乎分布于所有動(dòng)物細(xì)胞，往往形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特別是在需要承受機(jī)械壓力的細(xì)胞中含量相當(dāng)豐富。如上皮細(xì)胞中。除了胞質(zhì)中，在內(nèi)核膜下的核纖層也屬于IF?！裰虚g纖維的成分與分布●中間纖維的裝配●中間纖維結(jié)合蛋白（IFAP）及其判定標(biāo)準(zhǔn)●中間纖維的組織及動(dòng)態(tài)變化●中間纖維與細(xì)胞分化的關(guān)系密切●中間纖維的功能中間纖維的裝配◆中間纖維裝配過(guò)程

◆IF裝配與MF,MT裝配相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：·IF裝配的單體是纖維狀蛋白(MF,MT的單體呈球形)；·反向平行的四聚體導(dǎo)致IF不具有極性； ·IF在體外裝配時(shí)不需要核苷酸或結(jié)合蛋白的輔助，在體內(nèi)裝配后，細(xì)胞中幾乎不存在IF單體(但I(xiàn)F的存在 形式也可以受到細(xì)胞調(diào)節(jié)，如核纖層的裝配與解聚)。中間纖維的成分與分布

IF成分比MF,MT復(fù)雜，具有組織特異性。IF在形態(tài)上相似，而化學(xué)組成有明顯的差別。◆中間纖維類(lèi)型與分布◆中間纖維蛋白的表達(dá)具有嚴(yán)格的組織特異性中間纖維分類(lèi)與分布KeratinfilamentVimentin

filamentDesminfilamentNeurofilamentNeuroglialfilament

核纖層LaminA,B,C72,66.8,65真核細(xì)胞NuclearLamin中間纖維的功能在細(xì)胞質(zhì)中起支架作用，并與細(xì)胞核定位有關(guān)；在細(xì)胞間或組織中起支架作用?！粼鰪?qiáng)細(xì)胞抗機(jī)械壓力的能力

◆角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持

◆結(jié)蛋白纖維是肌肉Z盤(pán)的重要結(jié)構(gòu)組分，對(duì)于維持肌肉細(xì)胞的收縮裝置起重要作用中間纖維與mRNA的運(yùn)輸有關(guān)第二節(jié)細(xì)胞核骨架

●核骨架(NuclearMatrix)●染色體骨架●核纖層(NuclearLamina)核骨架(NuclearMatrix)●概念●形態(tài)結(jié)構(gòu)●成分●核骨架結(jié)合序列●功能核骨架概念核骨架：真核細(xì)胞核內(nèi)，以蛋白成分為主的纖維網(wǎng)絡(luò)體系。狹義：指核內(nèi)基質(zhì)廣義：核基質(zhì)、核纖層、核孔復(fù)合體核骨架與DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄加工、染色體裝配及病毒復(fù)制等有關(guān)。形態(tài)結(jié)構(gòu)◆核骨架的分級(jí)抽提方法(Penman等） 非離子去垢劑溶解膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng),胞質(zhì)中可溶性成分隨之流失;再用Tween40和脫氧膽酸鈉處理,胞質(zhì)中的微管、微絲與一些蛋白結(jié)構(gòu)被溶去,胞質(zhì)中只有中間纖維網(wǎng)能完好存留;然后用核酸酶與0.25mol/L硫酸銨處理,染色質(zhì)中DNA、RNA和組蛋白被抽提,最終核內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)精細(xì)發(fā)達(dá)的核骨架網(wǎng)絡(luò),結(jié)合非樹(shù)脂包埋-去包埋劑電鏡制樣方法,可清晰地顯示核骨架-核纖層-中間纖維結(jié)構(gòu)體系。成 分核骨架不象胞質(zhì)骨架那樣由非常專(zhuān)一的蛋白成分組成,核骨架的成分比較復(fù)雜,主要成分是核骨架蛋白及核骨架結(jié)合蛋白,并含有少量RNA?！艉斯羌艿鞍住艄羌芙Y(jié)合蛋白◆其它核骨架結(jié)合序列（MAR)◆DNA序列中的核骨架結(jié)合序列(matrixassociatedregion,MAR)這部分DNA與核骨架蛋白的結(jié)合不為高鹽溶液抽提所破壞,在基因表達(dá)調(diào)控中有作用?！艉斯羌芙Y(jié)合序列的基本特征

◆MAR的功能·通過(guò)與核骨架蛋白的結(jié)合，將DNA放射環(huán)錨定在核骨架上；·作為許多功能性基因調(diào)控蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。核骨架結(jié)合序列的基本特征·富含AT·富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements)·富含反向重復(fù)序列(InvertedRepeats) ·含有轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。功 能◆為細(xì)胞核內(nèi)組分布局提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)支架，參與細(xì)胞核內(nèi)許多重要生命活動(dòng)。1.核骨架與DNA復(fù)制

DNA放射環(huán)、聚合酶及各種因子結(jié)合于核骨架上，形成DNA復(fù)制復(fù)合體。2.核骨架與基因表達(dá)

大量研究工作表明真核細(xì)胞中RNA的轉(zhuǎn)錄和加工均與核骨架有關(guān)。具有轉(zhuǎn)錄活性的基因是結(jié)合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有結(jié)合位點(diǎn)。

3.核骨架與病毒復(fù)制4.核骨架與染色體構(gòu)建二、染色體骨架●染色體骨架/放射環(huán)模型●染色體骨架的真實(shí)性◆銀染法能選擇性地顯示染色體軸結(jié)構(gòu)◆DNA酶和RNA酶處理或用0.4mol/LH2SO4處理去除組蛋白,對(duì)染色體軸沒(méi)有影響,用胰蛋白酶消化則染色體軸破壞,說(shuō)明染色體軸是非組蛋白性的?！羧旧w骨架/放射環(huán)模型在分子水平上得到兩個(gè)直接證據(jù)DNA放射環(huán)普遍存在，且非隨機(jī)排列；放射環(huán)上存在骨架結(jié)合區(qū)域MAR?！袢旧w骨架成分：非組蛋白三、核纖層(NuclearLamina)●核纖層分布與形態(tài)結(jié)構(gòu)

●成分——核纖層蛋白(Lamin)●核纖層蛋白的分子結(jié)構(gòu)及其與中間纖維蛋白的關(guān)系 ●核纖層蛋白在細(xì)胞分化中的表達(dá)具有細(xì)胞特異性 ●核纖層在細(xì)胞周期中的變化 ●功能

成分——核纖層蛋白(Lamin)

◆哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)細(xì)胞中有 核纖層蛋白A 核纖層蛋白B 核纖層蛋白CA型核纖層蛋白：A，CB型核纖層蛋白：B核纖層蛋白的分子結(jié)構(gòu)及

其與中間纖維蛋白的關(guān)系◆核纖層與中間纖維之間的共同點(diǎn)·兩者均形成10nm纖維;·兩者均能抵抗高鹽和非離子去垢劑的抽提;·某些抗中間纖維蛋白的抗體能與核纖層發(fā)生交叉反應(yīng)·LaminA和LaminC的cDNA克隆推導(dǎo)出核纖層蛋白的氨基酸順序與中間纖維蛋白高度保守的α-螺旋區(qū)有很強(qiáng)的同源性,說(shuō)明核纖層蛋白是中間纖維蛋白.核纖層在細(xì)胞周期中的變化在細(xì)胞分裂過(guò)程中，核纖層發(fā)生解聚和重裝配，A型和B型核纖層蛋白在細(xì)胞分裂過(guò)程中的分布明顯不同。◆A型核纖層蛋白在組裝核纖層時(shí)通過(guò)蛋白水解失去C端異戊二烯化(isoprenylation)。細(xì)胞分裂前期，核膜崩解,核纖層解聚時(shí),A型核纖層蛋白以可溶性單體形式彌散到胞質(zhì)中。◆B型核纖層蛋白則永久法尼基化(farnesylated)，與核膜小泡保持結(jié)合狀態(tài),當(dāng)核膜重現(xiàn)時(shí),在染色體周?chē)匮b配,形成子細(xì)胞