醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)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(xì)胞與組織工程中心：zhangshufangWebsite:1Musculoskelsystem物質(zhì)cytoskeleton細(xì)胞運(yùn)動(dòng)細(xì)胞表達(dá)維持形態(tài)3醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)美國的獎(jiǎng)2012年基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者：細(xì)胞骨架馬達(dá)蛋白驅(qū)動(dòng)蛋白沿微管運(yùn)動(dòng)4細(xì)胞骨架的發(fā)現(xiàn)Keith Roberts Porter(19121997)5什么是細(xì)胞骨架？定義：指真核細(xì)胞中由不同蛋白質(zhì)交織而成、保持細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和定向運(yùn)動(dòng)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(xì)胞質(zhì)骨架、核纖層、核骨架、細(xì)胞外基質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞內(nèi)外的狹義：指細(xì)胞質(zhì)骨架，位于細(xì)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(dòng)性67細(xì)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(kuò)散微絲：主要分布于細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)中間：分布于整個(gè)細(xì)胞中Actin filamentsIntermediate filamentsMicrotubules89細(xì)胞質(zhì)骨架的共同特點(diǎn)由

3、蛋白質(zhì)的線性多聚體微管微絲中間(258(nm)nm)10nm)動(dòng)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(xì)胞骨架的概念、三種細(xì)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(xì)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(xì)胞骨架系統(tǒng)中的另外一種重要成分，存在于所有真核細(xì)胞中，屬于真核細(xì)胞特有的保守性結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的微管，呈網(wǎng)狀或分布，參與維持細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞極性、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、胞內(nèi)物質(zhì)以及細(xì)胞有絲和減數(shù)等重要生理過程。13學(xué)習(xí)目標(biāo) 微管的組成 微管的結(jié)構(gòu) 微管組裝的過程、特點(diǎn)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(gè)GTP結(jié)合位點(diǎn)、二價(jià)陽離子（Mg2+、Ca2+）結(jié)合位點(diǎn)、秋水仙素(colchicine)和長春堿（vinblastine）結(jié)合位點(diǎn)。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(jìn)微管；增加微管穩(wěn)定性或強(qiáng)度；促進(jìn)微管組裝。I型MAP：MAP1a、MAP1bII型MAP：MAP2a/b/c(神經(jīng)細(xì)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(dòng)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?yàn)處理解聚后重新組裝的結(jié)構(gòu)。常見的MTOC：1.鞭毛纖毛細(xì)胞基體(性結(jié)構(gòu))2.細(xì)胞有絲紡錘體極(動(dòng)態(tài)微管)233.間期細(xì)胞中心體(動(dòng)態(tài)微管)24神經(jīng)細(xì)胞細(xì)胞間期細(xì)胞有纖毛的細(xì)胞1.3 微管的組裝(二) 中心體(centrosome):動(dòng)物細(xì)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(dòng)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(dá)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(gè)時(shí)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?dāng)U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(diǎn) 微管具有極性：正極的組裝速度快；裝配時(shí)由負(fù)到

9、正。 正極最外端為球蛋白，負(fù)極最外端為球蛋白。 踏車現(xiàn)象(tread)：微管蛋白、GTP濃度達(dá)到一定濃度時(shí)，在正端結(jié)合上去的微管蛋白與負(fù)端度相同時(shí)，微管長度不變，出現(xiàn)了踏車現(xiàn)象。出來的速 動(dòng)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(dāng)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(shí),形成GTP帽,微; 當(dāng)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(jìn)組裝。離子Ca2+低時(shí)促進(jìn)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(xì)胞的形態(tài)； 參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)； 形成紡錘體，參與的運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞；纖毛、鞭毛和中心粒等細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)；36支架作用提供機(jī)械支持力幫助細(xì)胞產(chǎn)生極性，確定方向37正常紅細(xì)胞球形紅細(xì)胞38參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的微管為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的:提供軌道,通過馬達(dá)蛋白(motorprotein)完成物質(zhì)任務(wù)。驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesin)微管作為運(yùn)行軌道馬達(dá)蛋白動(dòng)力蛋白(dynein)肌球蛋白(myosin)40微管參與有絲形成紡錘體，在細(xì)胞是牽引達(dá)到極。41微管參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)鞭毛(flagellae)、纖毛(cilia)運(yùn)動(dòng)基體(basalbo

15、dy)：9+0結(jié)構(gòu)，9個(gè)三聯(lián)微管軸絲鞭桿基本結(jié)構(gòu)纖毛本體細(xì)胞膜基 體纖毛小根42微管鞘放射輻兩條動(dòng)力蛋白臂2個(gè)單微管為微管9個(gè)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(biāo) 微絲的組成 微絲的結(jié)構(gòu) 微絲組裝的過程、特點(diǎn)及調(diào)控 微絲的功能462.1 微絲的組成基本肌動(dòng)蛋白(actin)種類：-actin：存在于橫紋肌、心肌、和腸道平滑肌細(xì)胞-actin、 -actin：存在于所有肌肉細(xì)胞、非肌肉細(xì)胞特點(diǎn)：呈啞鈴形具有極性:+端/-端保守性：存在所有真核動(dòng)物47肌動(dòng)蛋白存在方式：球狀肌動(dòng)蛋白 (肌動(dòng)蛋白單體 G-actin)狀肌動(dòng)蛋白 (肌動(dòng)蛋白

16、聚合體 F-actin)48肌動(dòng)蛋白單體(G-actin)由375個(gè)AA組成，量為43kDa。有4個(gè)結(jié)構(gòu)域（1-4），其上有二個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，一個(gè)是ATP(或ADP)結(jié)合位點(diǎn),二價(jià)陽離子(Mg2+、Ca2+)的結(jié)合位點(diǎn)。另一個(gè)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(dòng)蛋白鏈形成的雙股螺旋結(jié)構(gòu)， 每14個(gè)球狀肌動(dòng)蛋白旋轉(zhuǎn)一圈，右手螺旋方式。 微絲在細(xì)胞質(zhì)中分布不均勻，于細(xì)胞皮質(zhì)區(qū)（細(xì)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(dāng)溶液中含有ATP、Mg2+以及較高濃度

17、的K+或Na+時(shí)，G-肌動(dòng)蛋白可自組裝成F-肌動(dòng)蛋白； 當(dāng)溶液中含有適當(dāng)濃度的Ca2+以及低濃度的Na+、K+時(shí)，肌動(dòng)蛋白趨向于解聚成肌動(dòng)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(diǎn) 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(dòng)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(shí)空上受一系列肌動(dòng)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(dòng)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(shí)-TuRC相似的作用，是微絲組裝的起始復(fù)合物。白formin：啟動(dòng)細(xì)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(shí)-TuRC相似的作用，是微絲組裝的起始復(fù)合物，位actin-ATP于肌動(dòng)蛋白的負(fù)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(gè)已存在的 actin的一側(cè)，開始組裝一個(gè)新的actin。結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)蛋白的成核作用； B.微絲過程56影響微絲組裝的與離子： 細(xì)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(xì)胞松弛素B和細(xì)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(jìn)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(dòng)蛋白，可用于鑒定F-肌動(dòng)蛋白)。 ATP和Ca2+、低濃度的單價(jià)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(xì)胞形態(tài)微絨毛 (microvilli)肌動(dòng)蛋白(actin fiber)應(yīng)力(stress fiber) 參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng) 參與細(xì)胞58維持細(xì)胞的形態(tài)細(xì)胞的支架并維持細(xì)胞的形態(tài)，如細(xì)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(xì)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(xì)胞有絲末期，兩個(gè)即將的子細(xì)胞產(chǎn)生的，由平行排列的微絲和myosin組成。61參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)參與細(xì)胞的

21、多種運(yùn)動(dòng)形式： 變形運(yùn)動(dòng)、胞質(zhì)環(huán)流、細(xì)胞的內(nèi)吞和外吐等。細(xì)胞的變形運(yùn)動(dòng)微絲生長，使細(xì)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(dòng)，使細(xì)胞主體遷移解除后方的粘著點(diǎn)62第三節(jié)中間絲(IntermediateFilament, IF)63學(xué)習(xí)目標(biāo) 中間絲的組成 中間絲的結(jié)構(gòu) 中間絲組裝的過程、特點(diǎn)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(jiān)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(xì)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(gè)氨基酸殘基或356個(gè)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(diǎn)： 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(xì)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(xì)胞中，分為和兩類。角蛋白為頭發(fā)、指甲等堅(jiān)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(xì)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(xì)胞和雪旺細(xì)胞，主要起支撐作用。蛋白(vimentin)細(xì)胞及中胚層來源的細(xì)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(xì)胞，Why？ 腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移后仍保留源細(xì)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(xì)胞，而不是基質(zhì)間葉細(xì)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