醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)細胞骨架

1、2015年春夏學(xué)期章 淑 芳 副教授浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細胞與組織工程中心：zhangshufangWebsite:1Musculoskelsystem物質(zhì)cytoskeleton細胞運動細胞表達維持形態(tài)3醫(yī)學(xué)獎美國的獎2012年基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎獲得者：細胞骨架馬達蛋白驅(qū)動蛋白沿微管運動4細胞骨架的發(fā)現(xiàn)Keith Roberts Porter(19121997)5什么是細胞骨架？定義：指真核細胞中由不同蛋白質(zhì)交織而成、保持細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和定向運動的立體絡(luò)體系。 System of protein filaments in the cytoplasm of aeukaryotic cell that giv

2、es the cell shape and the capacity for directedmovement （Molecular biology of the cell,edition）.4th廣義：膜骨架、細胞質(zhì)骨架、核纖層、核骨架、細胞外基質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細胞內(nèi)外的狹義：指細胞質(zhì)骨架，位于細胞質(zhì)中，由微絲、微管、中間型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 彌散性、整體性、變動性67細胞質(zhì)骨架分布：微管：主要分布于核周圍，并呈放射狀四周擴散微絲：主要分布于細胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)中間：分布于整個細胞中Actin filamentsIntermediate filamentsMicrotubules89細胞質(zhì)骨架的共同特點由

3、蛋白質(zhì)的線性多聚體微管微絲中間(258(nm)nm)10nm)動態(tài)，可組裝和去組裝高度保守10學(xué)習(xí)目的和要求 掌握細胞骨架的概念、三種細胞骨架的組成、結(jié)構(gòu)及功能 熟悉微絲、微管在體內(nèi)的組裝模式 了解細胞骨架異常與疾病的關(guān)系11第一節(jié)微管（Microtubule）12微管（microtubule）是細胞骨架系統(tǒng)中的另外一種重要成分，存在于所有真核細胞中，屬于真核細胞特有的保守性結(jié)構(gòu)。在細胞質(zhì)內(nèi)的微管，呈網(wǎng)狀或分布，參與維持細胞形態(tài)、細胞極性、細胞運動、胞內(nèi)物質(zhì)以及細胞有絲和減數(shù)等重要生理過程。13學(xué)習(xí)目標 微管的組成 微管的結(jié)構(gòu) 微管組裝的過程、特點及調(diào)控 微管的功能141.1 微管(micro

4、tubule)組成（一）微管蛋白（tubulin）：由微管蛋白(tubulin)組成的不分支的中空小管。直徑：內(nèi)徑為14-15nm，外徑為2225nm。橫斷面上看：它是由13根原呈縱向平行排列而成。F 15nmF24-26nm微管橫斷面21313412561171089a.微管結(jié)構(gòu)模式圖 b.微管橫切面C.電鏡圖象15微管蛋白的分類微管蛋白常以微管蛋白異二聚體形式游離存在-微管蛋白-微管蛋白微管蛋白微管蛋白16在微管蛋白和微管蛋白上各有一個GTP結(jié)合位點、二價陽離子（Mg2+、Ca2+）結(jié)合位點、秋水仙素(colchicine)和長春堿（vinblastine）結(jié)合位點。微管蛋白結(jié)合的GTP不

5、可水解為GDP；微管蛋白結(jié)合的GTP可水解為GDP17(二)微管相關(guān)蛋白(microtubule-associatedprotein,MAP) 一類可與微管結(jié)合并與微管蛋白共同組成微的蛋白； 功能與種類：促進微管；增加微管穩(wěn)定性或強度；促進微管組裝。I型MAP：MAP1a、MAP1bII型MAP：MAP2a/b/c(神經(jīng)細胞)、MAP4、Tau19201.2 微管的結(jié)構(gòu)由微管蛋白組成的不分支的中空小管：由13根原呈縱向平行排列而成AABABC單管(13根原組成，是胞質(zhì)微管的主要存在形式)二聯(lián)管（A管13根三聯(lián)管（ A管13根原，原，B管10根，B、C管10根，主要分布在中 心粒及纖毛和鞭毛的基

6、體中 ）主要分布在纖毛和鞭毛的桿狀部分 ）較穩(wěn)定的微管：鞭毛、纖毛、軸突。動態(tài)的微管：紡錘體、中心體、星射線21中心粒（三聯(lián)管）鞭毛（二聯(lián)管）1.3 微管的組裝(一) 微管組織中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC):決定微管在生理狀態(tài)或?qū)嶒炋幚斫饩酆笾匦陆M裝的結(jié)構(gòu)。常見的MTOC：1.鞭毛纖毛細胞基體(性結(jié)構(gòu))2.細胞有絲紡錘體極(動態(tài)微管)233.間期細胞中心體(動態(tài)微管)24神經(jīng)細胞細胞間期細胞有纖毛的細胞1.3 微管的組裝(二) 中心體(centrosome):動物細胞中主要的微管組織中心。CBACC B AABAC B ACBAA B CBC中心粒AA

7、BCBC中心粒小輪9 X 3251.3 微管的組裝(三) 微管組裝過程及動態(tài)調(diào)節(jié)a首尾相連聚合異二聚體aba微管蛋白b微管蛋白b原（13）ababababab微管b a ba babababababababa26組裝條件 ： 微管蛋白異二聚體達到臨界濃度(1mg/ml)、 有Mg2+存在（無Ca2+） pH6.9、37， 需要由GTP提供能量微管的組裝三個時期延遲期(lag phase) 又稱成核期(nucleation phase)，由a、b微管蛋白聚寡聚體，接著二聚體在其兩端和側(cè)面增加使之擴展成片狀帶，加寬成13根原即一段微管。聚合期(polymerization phase) 又稱為延長

8、期（elongation phase），該期微管蛋白聚合速度大于解聚速度，微管延長。穩(wěn)定期(steady state) 又稱為平衡期（equilibrium phase）， 微管的組裝與去組裝速度相等，微管長度相對恒定。27微管體外組裝1972年Weisenbery小鼠分離微管蛋白體外組裝bababababababbabb ababababbaab ababbababababababaabbab ababbab ab ab aabbab ab ab aabbab aab aabb ab aabb ab aababb aaa28-踏車+微管組裝的特點 微管具有極性：正極的組裝速度快；裝配時由負到

9、正。 正極最外端為球蛋白，負極最外端為球蛋白。 踏車現(xiàn)象(tread)：微管蛋白、GTP濃度達到一定濃度時，在正端結(jié)合上去的微管蛋白與負端度相同時，微管長度不變，出現(xiàn)了踏車現(xiàn)象。出來的速 動態(tài)不穩(wěn)定性：微管蛋白、GTP濃度較高微管組裝微管去組裝微管蛋白、GTP濃度較低29Treadmilling behavior of a microtubule observedin a living cellA cell was injected with tubulin that had been covalently linked to the fluorescent dye rhodamine, so

10、 that approximately 1 tubulin subunit in 20 was fluorescent. The fluorescence of individual microtubules was then observed with a sensitive electronic camera. The microtubule shown appears to be sliding from left to right, but, in fact, the microtubule lattice remains stationary (as shown by the dar

11、k mark indicated by the red arrowhead), while the plus end (on the right) grows and the minus end (on the left) shrinks. At the same time, the plus end is displaying dynamic instability. (From C.M. Waterman-Storer and E.D. Salmon, J. Cell Biol. 139:417434, 1997.)30當GTP微管蛋白異二聚體添加到微管正極（+）組裝速度大于GDP的水解速

12、度時,形成GTP帽,微; 當GTP的微管蛋白聚合速度小于GTP的水解速度， GTP帽不斷縮小出GDP微管蛋白，并迅速脫落,使微管縮短，導(dǎo)致微管結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定。31影響微管聚合與解聚的因素溫度超過20有利于組裝;低于4引起分解。秋水仙素(colchicine)和長春花堿(vinblastine)引起分解；紫杉醇(taxol)促進組裝。離子Ca2+低時促進組裝，引起分解。3334紫杉醇（taxol）如何抗腫瘤？Effect of the drug taxol on microtubule organization(A) Molecular structure of taxol.Immunofluo

13、rescence micrograph showing the microtubule organization in a liver epithelial cell before(B) and after (C) the addition of taxol. Note the thick circumferential bundles of microtubules around the periphery of the cell.(D) A Pacific yew tree, the natural source of taxol.(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 9

14、1:85978601, 1994.)351.4 微管的功能 支架作用，維持細胞的形態(tài)； 參與細胞內(nèi)物質(zhì)； 形成紡錘體，參與的運動，調(diào)節(jié)細胞；纖毛、鞭毛和中心粒等細胞運動，參與細胞運動；36支架作用提供機械支持力幫助細胞產(chǎn)生極性，確定方向37正常紅細胞球形紅細胞38參與細胞內(nèi)物質(zhì)的微管為細胞內(nèi)物質(zhì)的:提供軌道,通過馬達蛋白(motorprotein)完成物質(zhì)任務(wù)。驅(qū)動蛋白(kinesin)微管作為運行軌道馬達蛋白動力蛋白(dynein)肌球蛋白(myosin)40微管參與有絲形成紡錘體，在細胞是牽引達到極。41微管參與細胞運動鞭毛(flagellae)、纖毛(cilia)運動基體(basalbo

15、dy)：9+0結(jié)構(gòu)，9個三聯(lián)微管軸絲鞭桿基本結(jié)構(gòu)纖毛本體細胞膜基 體纖毛小根42微管鞘放射輻兩條動力蛋白臂2個單微管為微管9個二聯(lián)微管鞭桿基體43Human sperm44第二節(jié)微絲（microfilament）45學(xué)習(xí)目標 微絲的組成 微絲的結(jié)構(gòu) 微絲組裝的過程、特點及調(diào)控 微絲的功能462.1 微絲的組成基本肌動蛋白(actin)種類：-actin：存在于橫紋肌、心肌、和腸道平滑肌細胞-actin、 -actin：存在于所有肌肉細胞、非肌肉細胞特點：呈啞鈴形具有極性:+端/-端保守性：存在所有真核動物47肌動蛋白存在方式：球狀肌動蛋白 (肌動蛋白單體 G-actin)狀肌動蛋白 (肌動蛋白

16、聚合體 F-actin)48肌動蛋白單體(G-actin)由375個AA組成，量為43kDa。有4個結(jié)構(gòu)域（1-4），其上有二個結(jié)合位點，一個是ATP(或ADP)結(jié)合位點,二價陽離子(Mg2+、Ca2+)的結(jié)合位點。另一個是494ATP231PDB 2BTFG-actin2.2 微絲的結(jié)構(gòu) 在電鏡下，由兩條頭尾相連的線性排列的肌動蛋白鏈形成的雙股螺旋結(jié)構(gòu)， 每14個球狀肌動蛋白旋轉(zhuǎn)一圈，右手螺旋方式。 微絲在細胞質(zhì)中分布不均勻，于細胞皮質(zhì)區(qū)（細胞膜的內(nèi)側(cè)）比較集中。502.3 微絲的組裝組裝條件：G-actin濃度、鹽濃度（ Mg2+和K+ ）、ATP 當溶液中含有ATP、Mg2+以及較高濃度

17、的K+或Na+時，G-肌動蛋白可自組裝成F-肌動蛋白； 當溶液中含有適當濃度的Ca2+以及低濃度的Na+、K+時，肌動蛋白趨向于解聚成肌動蛋白單體。51微絲的體外組裝：成核期(nucleation phase) 延長期(elongationphase)穩(wěn)定期(steady-state phase)“踏車”現(xiàn)象52微絲組裝的特點 微絲具有極性：正極的組裝速度快。 踏車現(xiàn)象(tread度相同。)：微絲組裝的速度和去組裝的速 動態(tài)不穩(wěn)定性：G-actin、ATP濃度較高微絲組裝G-actin 、ATP濃度較低微絲去組裝53微絲的體內(nèi)組裝 ：微絲體內(nèi)組裝在時空上受一系列肌動蛋白結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)成核因子通

18、過成核作用來肌動蛋白的聚合白(nucleating protein)微絲成 Arp2/3復(fù)合物：促使形成微絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由Arp2、Arp3和其他5種附屬蛋白組成，具有與微管成核時-TuRC相似的作用，是微絲組裝的起始復(fù)合物。白formin：啟動細胞內(nèi)不分支微絲的形成 成54+-Arp2/3 (actin-related protein, ARP)Arp2/3Arp2/3 是actin 聚合的成片狀偽足中含量豐富。白，在actin-ADP具有與微管成核時-TuRC相似的作用，是微絲組裝的起始復(fù)合物，位actin-ATP于肌動蛋白的負極。成核刺激因子 (NPF)被活化， Arp2/3 復(fù)合物以70

19、度角結(jié)合到一個已存在的 actin的一側(cè)，開始組裝一個新的actin。結(jié)果產(chǎn)生一個Y-形分枝結(jié)構(gòu)。55微絲裝配的成核作用及微絲網(wǎng)絡(luò)的形成A.纖絲狀肌動蛋白的成核作用； B.微絲過程56影響微絲組裝的與離子： 細胞松弛素(cytochalasin)：與MF的正端結(jié)合，引起微絲的解聚，抑制組裝過程 ，細胞松弛素B和細胞松弛素D 鬼筆環(huán)肽(phalloidin)：只與聚合的MF結(jié)合，穩(wěn)定微絲、促進微絲聚合, 抑制微絲解聚，使微絲保持穩(wěn)定狀態(tài) (特異性結(jié)合和穩(wěn)定F-肌動蛋白，可用于鑒定F-肌動蛋白)。 ATP和Ca2+、低濃度的單價離子(Na+、K+等)溶液中：微絲趨向解聚成G-actin。 Mg2+

20、和高濃度的Na+、K+離子溶液中：微絲趨向聚合F-actin。572.4 微絲的功能 維持細胞形態(tài)微絨毛 (microvilli)肌動蛋白(actin fiber)應(yīng)力(stress fiber) 參與細胞運動 參與細胞58維持細胞的形態(tài)細胞的支架并維持細胞的形態(tài)，如細胞皮層、應(yīng)力、微絨毛等。Actin creates gross morphological change in platelet cells59微絨毛（Microvilli）參與細胞胞質(zhì)通過質(zhì)膜下由微絲束形成的收縮環(huán)完成。收縮環(huán)是細胞有絲末期，兩個即將的子細胞產(chǎn)生的，由平行排列的微絲和myosin組成。61參與細胞運動參與細胞的

21、多種運動形式： 變形運動、胞質(zhì)環(huán)流、細胞的內(nèi)吞和外吐等。細胞的變形運動微絲生長，使細胞表面突出，形成片足(Lamellipodia )在片足與基質(zhì)接觸的位置形成粘著斑(adhesion site)在肌球蛋白(myosin)的作用下，微絲滑動，使細胞主體遷移解除后方的粘著點62第三節(jié)中間絲(IntermediateFilament, IF)63學(xué)習(xí)目標 中間絲的組成 中間絲的結(jié)構(gòu) 中間絲組裝的過程、特點及調(diào)控 中間絲的功能643.1 中間絲(IF)的組成 中間絲（中間）直徑（10nm）介于微絲和微管之間，是一種堅韌、耐久的蛋白質(zhì)主要起支撐作用。 爪和頭發(fā)主要由中間蛋白組成。在上皮細胞和神經(jīng)元的軸

22、中，中間的10絲的含量是微絲或微管倍。 中間絲的基本組成單體中間653.2 中間絲(IF)的結(jié)構(gòu)310個氨基酸殘基或356個氨基酸殘基(I-IV型和VI型IF)(V型IF)a-螺旋桿狀區(qū)中間單體共同結(jié)構(gòu)域頭部（N-端）非螺旋區(qū)尾部（C-端）尾部（C-端）頭部（N-端）長度高度可變長度高度可變單體聚合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)66桿狀 區(qū)中間絲(IF)的結(jié)構(gòu)特點： 螺旋的桿區(qū)：長度和順序都高度保守。球形端部：N端和C端氨基酸序列變化較大，不同中間絲的區(qū)別所在。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：既不受秋水仙素也不受細胞松弛B素影響沒有極性L12連接L2連接L1連接N-端C-端1Aa-螺旋1Ba-螺旋2Aa-螺旋2Ba-螺旋區(qū)區(qū)區(qū)351 0

23、 191218-14816-1767幾種中間的模式圖68中間絲(IF)的類型: 角蛋白(keratin)主要在表皮細胞中，分為和兩類。角蛋白為頭發(fā)、指甲等堅韌結(jié)構(gòu)所有; 亦稱胞質(zhì)角蛋白。 結(jié)蛋白(desmin)角蛋白位于胞內(nèi)，亦稱骨骼蛋白(skeletin)，存在于肌肉細胞，主要功能是使肌連在一起。 膠質(zhì)原酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)存在于星形神經(jīng)膠質(zhì)細胞和雪旺細胞，主要起支撐作用。蛋白(vimentin)細胞及中胚層來源的細胞 波形存在 神經(jīng)纖絲蛋白(neurofilament)存在于神經(jīng)元69單純性大苞性表皮松懈癥mutation

24、in keratin gene70中間絲具有組織特異性腫瘤診斷中的應(yīng)用： 用于確定某些腫瘤的細胞，Why？ 腫瘤細胞轉(zhuǎn)移后仍保留源細胞的中間。fluorescent-tagged antibodiesEpithelial cancers and mesenchymal cancers are sensitive to different treatments來自于胸腺和腸胃道的包含角蛋白，缺乏波形蛋白，表明它們來源于上皮細胞，而不是基質(zhì)間葉細胞。71中間絲結(jié)合蛋白(intermediate filament associated protein，IFAP)是一類在結(jié)構(gòu)和功能上與中間絲有密切，但其本身不是中間絲結(jié)構(gòu)組分的蛋白。使中間絲之間交聯(lián)、，并把中間絲交聯(lián)到質(zhì)膜或其他骨架成分上。目前已知約15種 。IFAP共同特征：具有中間絲類型特異