第九章細胞骨架(Cytoskeleton)

●概念：細胞骨架是指存在于真核細胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系

◆狹義：細胞質(zhì)骨架，包括微絲、微管和中間纖維。

◆廣義：細胞質(zhì)骨架、細胞核骨架、膜骨架和細胞外基質(zhì)。●功能：維持細胞形態(tài)，保持細胞內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)，參與細胞運動、物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、細胞分裂、基因表達、細胞分化等。細胞質(zhì)各種骨架蛋白以單體形勢非共價結(jié)合，構(gòu)成纖維型多聚體。微絲確定細胞表面特征，使細胞能夠運動和收縮。微管確定膜性細胞器的位置和作為運輸導(dǎo)軌。中間纖維使細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、細胞外基質(zhì)。細胞骨架的主要功能（圖片來自G.Karp2002）第二節(jié)細胞核骨架●核基質(zhì)(NuclearMatrix)●染色體骨架●核纖層(NuclearLamina)一、微絲(microfilament,MF)

又稱肌動蛋白纖維(actinfilament),是指真核細胞中由肌動蛋白(actin)組成（由兩條線性排列的肌動蛋白鏈形成的螺旋）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●微絲功能成分肌動蛋白(actin)是微絲的結(jié)構(gòu)成分,相對分子質(zhì)量為43kD。肌動蛋白單體外觀呈啞鈴狀。（單體稱G-actin；多聚體稱F-actin）根據(jù)等電點不同分為3類（6種）肌動蛋白：

α肌動蛋白：4種（分布于肌細胞）

β肌動蛋白：1種

γ肌動蛋白：1保守性高，這些肌動蛋白基因是從同一個祖先基因進化而來。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+。過程：2-3個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。踏車行為：單體可同時在(+)端添加，在(-)端分離。微絲特異性藥物◆細胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲末端阻抑肌動蛋白聚合,但對解聚沒有明顯影響，因而破壞微絲三維網(wǎng)絡(luò)。◆鬼筆環(huán)肽(philloidin)：與微絲有強親和作用,使肌動蛋白纖維穩(wěn)定，抑制MF解聚。只與F肌動蛋白結(jié)合，不與G肌動蛋白結(jié)合◆影響微絲裝配動態(tài)性的藥物對細胞都有毒害，說明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與肌動蛋白單體庫間的動態(tài)平衡。這種動態(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

整個骨架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上受到不同的細胞骨架結(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。·Contractilebundle: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:細胞皮層(cellcortex)中微絲排列形式，MF相互交錯排列。微絲功能◆維持細胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機械強度◆細胞運動◆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)，維持細胞形狀和賦予質(zhì)膜機械強度，如哺乳動物紅細胞膜骨架的作用。 是腸上皮細胞的指狀突起，用以增加腸上皮細胞表面積，以利于營養(yǎng)的快速吸收。軸心微絲是非肌細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。無收縮功能。微絨毛(microvillus)應(yīng)力纖維（stressfiber）:廣泛存在于真核細胞。成分：肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白。介導(dǎo)細胞間或細胞與基質(zhì)表面的粘著。應(yīng)力纖維在細胞形態(tài)發(fā)生、細胞分化和組織的形成等方面具有重要作用。（細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，其收縮機制是肌動蛋白和肌球蛋白相對滑動。收縮環(huán)是非肌細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,沿微絲從負極到正極進行運動。 ·MyosinⅡ主要分布于肌細胞，有兩個球形頭部結(jié)構(gòu)域(具有ATPase活性)和尾部鏈,多個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,位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細絲,調(diào)節(jié)肌動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)沖動誘發(fā)的肌肉收縮基本過程 ·動作電位的產(chǎn)生·Ca2+的釋放·原肌球蛋白位移·肌動蛋白絲與肌球蛋白絲的相對滑動 ·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,二聚體平行于長軸重復(fù)排列形成原纖維(protofilament)，側(cè)面增加擴展為片層，當(dāng)加寬至13根原纖維時,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配是一個動態(tài)不穩(wěn)定過程◆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間和空間上是高度有序的。◆微管組織中心（MTOC)微管組織中心

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

●動力學(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。微管裝配是動態(tài)不穩(wěn)定過程微管特異性藥物◆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)。◆紫杉酚(taxol)能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。重水（D2O）也會促進微管裝配，增加其穩(wěn)定性。◆為行使正常的微管功能,微管動力學(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)嶒炋幚斫饩酆?微管重新裝配的發(fā)生處稱為微管組織中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。MTOC決定了細胞微管的極性，微管的（－）極指向MTOC，（＋）極背向MTOC。動物細胞的MTOC為中心體(centrosome);鞭毛和纖毛根部的類似結(jié)構(gòu)稱為基體（基粒）(basalbody)。

常見微管組織中心◆間期細胞MTOC：中心體(動態(tài)微管)

◆分裂細胞MTOC：有絲分裂紡錘體極(動態(tài)微管)

◆鞭毛纖毛細胞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：位于中心體周圍的基質(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，所以又叫成核位點

基體(basalbody)·位于鞭毛和纖毛根部的類似結(jié)構(gòu)稱為基體（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◆維持細胞形態(tài)◆細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸◆鞭毛(flagella)運動和纖毛(cilia)運動◆紡錘體與染色體運動◆細胞器的定位◆基粒和中心粒維持細胞形態(tài)

用秋水仙素處理細胞破壞微管,導(dǎo)致細胞變圓,說明微管對維持細胞的不對稱形狀是重要的。對于細胞突起部分,如纖毛、鞭毛、軸突的形成和維持,微管亦起關(guān)鍵作用。細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸

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

·馬達（引擎）蛋白Motorproteins ·神經(jīng)元軸突運輸?shù)念愋图斑\輸模式 ·色素顆粒的運輸馬達（引擎）蛋白

（Motorproteins）目前已鑒定的Motorproteins多達數(shù)十種。根據(jù)其結(jié)合的骨架纖維以及運動方向和攜帶的轉(zhuǎn)運物不同而分為不同類型。胞質(zhì)中微管motorprotein分為兩大類：驅(qū)動蛋白(kinesin):通常朝微管的正極方向運動動力蛋白(cytoplasmicdynein)：朝微管的負極運動Kinesin與Dynein的分子結(jié)構(gòu)

Kinesin與Dynein的運輸方式神經(jīng)元軸突運輸?shù)念愋捅廾?flagella)運動和纖毛(cilia)運動·纖毛和鞭毛的運動形式

●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肌絲之間,故被命名為中間纖維。IF幾乎分布于所有動物細胞，往往形成一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特別是在需要承受機械壓力的細胞中含量相當(dāng)豐富。如上皮細胞中。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）及其判定標準●中間纖維的組織及動態(tài)變化●中間纖維與細胞分化的關(guān)系密切●中間纖維的功能中間纖維的裝配◆中間纖維裝配過程

◆IF裝配與MF,MT裝配相比，有以下幾個特點：·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在體外裝配時不需要核苷酸或結(jié)合蛋白的輔助，在體內(nèi)裝配后，細胞中幾乎不存在IF單體(但IF的存在 形式也可以受到細胞調(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?！糁虚g纖維類型與分布◆中間纖維蛋白的表達具有嚴格的組織特異性中間纖維分類與分布KeratinfilamentVimentin

filamentDesminfilamentNeurofilamentNeuroglialfilament

核纖層LaminA,B,C72,66.8,65真核細胞NuclearLamin中間纖維的功能在細胞質(zhì)中起支架作用，并與細胞核定位有關(guān)；在細胞間或組織中起支架作用。◆增強細胞抗機械壓力的能力

◆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盤的重要結(jié)構(gòu)組分，對于維持肌肉細胞的收縮裝置起重要作用中間纖維與mRNA的運輸有關(guān)第二節(jié)細胞核骨架

●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)一個精細發(fā)達的核骨架網(wǎng)絡(luò),結(jié)合非樹脂包埋-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。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。功 能◆為細胞核內(nèi)組分布局提供了一個結(jié)構(gòu)支架，參與細胞核內(nèi)許多重要生命活動。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

大量研究工作表明真核細胞中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。

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,對染色體軸沒有影響,用胰蛋白酶消化則染色體軸破壞,說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直接證據(jù)DNA放射環(huán)普遍存在，且非隨機排列；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 ●核纖層蛋白在細胞分化中的表達具有細胞特異性 ●核纖層在細胞周期中的變化 ●功能

成分——核纖層蛋白(Lamin)

◆哺乳動物和鳥類細胞中有 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·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)有很強的同源性,說明核纖層蛋白是中間纖維蛋白.核纖層在細胞周期中的變化在細胞分裂過程中，核纖層發(fā)生解聚和重裝配，A型和B型核纖層蛋白在細胞分裂過程中的分布明顯不同?！鬉型核纖層蛋白在組裝核纖層時通過蛋白水解失去C端異戊二烯化(isoprenylation)。細胞分裂前期，核膜崩解,核纖層解聚時,A型核纖層蛋白以可溶性單體形式彌散到胞質(zhì)中?！鬊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,在染色體周圍重裝配,形成子細胞