細胞生物學-細胞-10章課件

醫(yī)學細胞生物學

第十章細胞連接與細胞粘連緊密連接粘合帶橋粒間隙連接/通訊連接半橋粒粘著斑鈣粘素整聯(lián)蛋白選擇素基膜中間纖維肌動蛋白纖維細胞連接細胞粘連細胞連接與細胞粘連免疫球蛋白樣細胞粘附分子除了血液和結締組織，人和動物體內的細胞，按照一定的排列方式，在相鄰細胞表面形成各種連接裝置，形成細胞間的機械聯(lián)系，并維持組織結構的完整性、協(xié)調性細胞與細胞之間、細胞與細胞外基質之間在質膜接觸區(qū)域特化形成的連接結構：細胞連接celljunction細胞連接是維系細胞間相對穩(wěn)定的特化連接裝置，也是相鄰細胞間協(xié)同作用的重要組織形式根據(jù)細胞連接的結構和功能，可分為三類：封閉連接、錨定連接、通訊連接細胞連接細胞連接不同組織的緊密連接對一些小分子的密封程度有所不同，這與封閉索的層數(shù)有關：腎小管1-2層，胰腺腺泡細胞3-4層，小腸上皮細胞4-6層；層數(shù)越多，封閉作用越強已分離出數(shù)十種參與緊密連接形成的跨膜蛋白，如封閉蛋白claudin、密封蛋白occludin、Zonulaoccluden(ZO)蛋白等緊密連接模式圖緊密連接冷凍蝕刻圖緊密連接透射電鏡圖細胞連接細胞連接前兩種是4次穿膜的整合蛋白，C端與N端均伸向細胞質(對緊密連接的形成和功能有重要作用)腎小管上皮細胞從原尿中重吸收Mg2+時需要封閉蛋白的存在，如果此蛋白的基因突變，將引起Mg2+從尿中大量丟失緊密連接的兩個主要功能：①封閉上皮細胞的間隙，形成與外界隔離的封閉帶，防止細胞外物質無選擇地通過細胞間隙，進入組織；或從組織回流如腔細胞連接Occludin

Claudin

錨定連接anchoringjunction錨定連接：由細胞骨架纖維參與，存在于相互接觸的細胞間或細胞與細胞外基質之間的細胞連接；主要作用是形成能夠抵抗機械張力的牢固粘合；廣泛分布于動物各種組織中，特別是上皮、心肌和子宮頸等需要承受機械壓力的組織根據(jù)參與連接的骨架纖維的類型和錨定部位的不同，錨定連接可分為兩大類：①與肌動蛋白纖維相連的錨定連接，稱：黏合連接adheringjunction;其中細胞與細胞間的黏合連接——黏合帶adhesionbelt;細胞與細胞外基質間的黏合連接——黏著斑adhesionplaque②與中間纖維相連的錨定連接，稱：橋粒連接desmosomejunction;細胞與細胞間的連接——橋粒desmosome;細胞與細胞外基質間的連接——半橋粒hemidesmosome細胞連接細胞連接黏合連接是由肌動蛋白纖維介導的錨定連接1.黏合帶adhesionbelt位于上皮細胞緊密連接的下方，是相鄰細胞之間形成的一個連續(xù)的帶狀結構粘合帶鈣粘素相鄰細胞的質膜緊密連接肌動蛋白纖維束基底面透射電鏡顯示：在黏合帶處相鄰的細胞質膜間的間隙15~30nm，間隙兩側的質膜通過伸出的跨膜粘連蛋白相互黏合參與形成黏合帶的跨膜粘連蛋白稱：鈣粘素cadherin，是Ca2+依賴性細胞黏附分子黏合帶為上皮細胞、心肌細胞提供了抵抗機械張力的牢固黏合，在維持細胞形態(tài)和組織器官完整性方面具有重要作用由于微絲束具有收縮功能，黏合帶在動物胚胎發(fā)育中使上皮內陷形成管狀、泡狀器官原基，對形態(tài)發(fā)生起重要作用2.黏著斑adhesionplaque/focaladhesions位于上皮細胞基底部，是細胞通過局部黏附與細胞外基質之間形成的黏合連接參與黏著斑連接的跨膜粘連蛋白是膜整聯(lián)蛋白integrin，也稱整合素；其胞外部分與細胞外基質(纖連蛋白、膠原)相連，胞內部分通過錨定蛋白與肌動蛋白纖維相連膜整聯(lián)蛋白與細胞外基質的連接，是受體與配體間的識別與結合黏著斑部位的錨定蛋白有：裸蛋白talin、α-輔肌動蛋白、細絲蛋白filamin、紐蛋白vinculin等細胞連接樁蛋白Paxillin

肌動蛋白纖維Actinfilament

α-輔肌動蛋白α-Actinin

Focaladhesionkinase

DNA膠原纖連蛋白紐蛋白Vinculin

踝蛋白Talin

細胞核整聯(lián)蛋白α亞基整聯(lián)蛋白β亞基黏著斑跨膜粘連蛋白細胞連接細胞內錨定蛋白黏著斑激酶黏著斑在肌細胞、肌腱(主要是膠原)形成的連接中很常見體外培養(yǎng)細胞常通過黏著斑附著于培養(yǎng)皿表面，黏著斑的形成、解離對細胞的鋪展和遷移有重要意義橋粒連接是由中間纖維介導的錨定連接橋粒廣泛分布于承受強拉力的組織中，如皮膚、心肌、消化道、膀胱、子宮、陰道等處的上皮細胞之間；根據(jù)分布位置，分為：橋粒、半橋粒兩種1.橋粒desmosome位于上皮細胞黏合帶下方，是相鄰細胞接觸點上的一種類似紐扣狀的結構橋粒連接處相鄰質膜間的間隙約30nm，質膜的胞質側各有一個由細胞內錨定蛋白構成的胞質斑，直徑0.5μm，稱為橋粒斑desmosomalplaque細胞連接橋粒斑由兩種蛋白組成——中間纖維附著部位：橋粒珠蛋白plakoglobin、橋粒斑蛋白desmoplakin不同組織的細胞中附著于橋粒斑的中間纖維不同，在上皮細胞中是角蛋白絲keratinfilaments，心肌細胞中是結蛋白絲desminfilaments中間纖維伸向橋粒斑，被更細的纖維牢固連接在橋粒斑上，然后折返形成袢環(huán)結構細胞連接橋粒芯糖蛋白Desmoglein橋粒芯膠蛋白

Desmocollin橋粒珠蛋白Plakoglobin

橋粒斑蛋白Desmoplakin

中間纖維細胞外胞質

跨膜粘連蛋白

鈣粘素橋粒分子結構圖細胞內錨定蛋白細胞連接橋粒質膜處的跨膜粘連蛋白：鈣粘素家族，如：橋粒芯糖蛋白desmoglein、橋粒芯膠蛋白desmocollin跨膜粘連蛋白向內與橋粒斑相連，向外與相鄰細胞的跨膜粘連蛋白相連，通過依賴的Ca2+黏合機制將兩個相鄰細胞連接在一起相鄰細胞中的中間纖維通過橋粒斑和跨膜粘連蛋白，構成貫穿整個組織的網(wǎng)架，增強該組織的抵抗外來張力、壓力及撕裂力的能力細胞連接通訊連接communicatingjunction在多數(shù)動物組織相鄰細胞膜上存在特殊的連接通道，以進行細胞間的電信號、化學信號的通訊聯(lián)系，從而完成群體細胞間的合作與協(xié)調，這種連接形式稱通訊連接communicatingjunction動物組織中有兩種通訊連接：間隙連接gapjunction、化學突觸chemicalsynapse間隙連接是動物組織中普遍存在的一種細胞連接方式透射電鏡顯示，間隙連接部位相鄰細胞膜之間有2~4nm的縫隙；冰凍蝕刻顯示，許多間隙連接單位往往集結在一起呈斑塊狀，大小不一，最大直徑達0.3μm間隙連接的基本結構單位是連接子connexon，長7.5nm，外徑6nm，由6個相同或相似的跨膜蛋白——連接子蛋白connexin環(huán)繞而成，中央是1.5~2nm的親水性通道細胞連接相鄰質膜上的兩個連接子相對接在一起，通過中央孔道相通一個間隙連接處的連接子數(shù)目由幾個到幾千幾萬個連接子蛋白發(fā)現(xiàn)了20多種，一個連接子可以由不同連接子蛋白構成——異源連接子；也可由相同連接子蛋白構成——同源連接子細胞連接ConnexinConnexinconnexonHeteromericHomotypic

Heterotypic不同連接子蛋白構成的連接子，在通透性、導電率、可調節(jié)性方面是不同的，其分布具有組織細胞特異性心肌細胞連接子蛋白是Cx43，心臟電傳導系統(tǒng)細胞的連接子蛋白是Cx40，當這兩種連接子蛋白形成間隙連接時，兩種連接子之間沒有通透功能，確保心臟器官不同類型細胞功能的相對獨立細胞連接間隙連接的另一個重要功能是介導細胞間通訊；細胞通訊cellcommunication：指一個細胞的信息通過化學遞質或電信號傳遞給另一個細胞，使靶細胞產(chǎn)生相應效應按間隙連接的通訊方式，分為兩種：代謝藕聯(lián)、電藕聯(lián)2.電耦聯(lián)electriccoupling又稱離子偶聯(lián)ioniccoupling，其連接子是種離子通道，帶電的離子能通過間隙連接達到相鄰細胞在具有電興奮性的組織細胞間，廣泛存在電耦聯(lián)現(xiàn)象；帶電離子通過連接子，使動作電位從一個細胞擴散到另一個細胞，速度快而準確如：心肌細胞同步收縮和舒張，如破壞了電耦聯(lián)，心臟停跳；小腸平滑肌通過電耦聯(lián)，使收縮蠕動同步進行；神經(jīng)細胞傳遞動作電位；某些上皮細胞通過間隙連接使纖毛協(xié)調擺動化學突觸主要存在于神經(jīng)細胞之間和神經(jīng)細胞與肌細胞的接觸部位電興奮細胞間可通過電突觸、化學突觸傳遞沖動信號化學突觸主要存在于神經(jīng)細胞之間、神經(jīng)細胞與肌細胞之間的接觸部位，突觸間隙20nm寬，傳遞神經(jīng)遞質，引起突觸后膜動作電位細胞連接細胞黏附分子celladhesionmolecule,CAM是廣泛存在于細胞膜上的一類跨膜糖蛋白，是介導細胞與細胞之間、或細胞與細胞外基質之間相互結合并起黏附作用的一類細胞表面分子目前發(fā)現(xiàn)的細胞黏附分子達百余種，根據(jù)分子結構特點、作用方式，分為四大類：鈣粘素Cadherin、選擇素Selectin、免疫球蛋白超家族Ig-superfamily,Ig-SF、整聯(lián)蛋白integrin細胞黏附分子多需要依賴于二價陽離子Ca2+或Mg2+才起作用這些黏附分子在細胞骨架參與下，形成橋粒、半橋粒、黏合帶、黏著斑等細胞連接結構細胞黏附分子與細胞粘連細胞粘附分子可分為三部分：①較長胞外區(qū)，其N-端帶有糖鏈，是與配體識別部位；②跨膜區(qū)，多為一次性跨膜蛋白；③胞質區(qū)，肽鏈的C-端，一般較小，可與質膜下的細胞骨架成分或胞內的信號轉導分子結合，從而介導黏附細胞黏附分子與細胞粘連細胞黏附分子通過三種方式介導細胞識別與黏著：①同親型結合homophilicbinding，相鄰細胞表面的同種黏附分子間的識別與黏著；②異親型結合hetrophilicbinding，不同種黏附分子間的識別與黏著，選擇素和整聯(lián)蛋白主要靠這種方式介導細胞黏附；③連接分子依賴性結合linker-dependentbinding，相鄰細胞的黏附分子通過連接分子介導，才能相互識別與黏著鈣粘素家族鈣粘素也稱鈣粘蛋白，是一類依賴于Ca2+的同親型細胞黏附分子，在胚胎發(fā)育中的細胞識別、遷移、分化，以及組織器官構筑中起重要作用鈣粘素在不同種類細胞、不同發(fā)育階段，表達的數(shù)量和種類均不同已鑒定出50多種鈣粘素，分布于不同組織，如上皮組織的E-鈣粘素epithelialcadherin、神經(jīng)組織的N-鈣粘素、胎盤(乳腺、表皮)P-鈣粘素、血管內皮細胞VE-鈣粘素等細胞黏附分子與細胞粘連2.鈣粘素的功能①介導細胞與細胞之間的同親性細胞粘附：胚胎、成人的組織中，同類細胞的相互識別黏著，如E-鈣粘素介導上皮細胞粘著將編碼E-鈣粘素的基因轉染到不表達鈣粘素的成纖維細胞中，可促使成纖維細胞之間的Ca2+依賴性同親性細胞黏附；抗E-鈣粘素抗體可以抑制這種黏附②在個體發(fā)育中影響細胞分化，參與組織器官的形成：個體發(fā)育中通過控制鈣粘素表達的種類與數(shù)量，而決定胚胎細胞間的相互作用，從而影響分化、組織器官的形成E-鈣粘素從胚胎的8細胞期開始表達，使分裂球緊密粘合；隨胚胎發(fā)育，停止表達E-鈣粘素而表達其他鈣粘素，如N-鈣粘素等③參與細胞之間穩(wěn)定的特化連接結構：在黏合帶連接中，鈣粘素的胞內區(qū)通過α、β連環(huán)蛋白與肌動蛋白纖維相連；而在橋粒連接中，細胞黏附分子與細胞粘連

鈣粘素胞內區(qū)通過胞質斑與中間纖維相連一些鈣粘素在錨定連接形成過程中，起調節(jié)信號的傳遞作用；如VE-鈣粘素不僅介導內皮細胞間的黏附，還傳遞生長因子信號到細胞內細胞黏附分子與細胞粘連3.鈣粘素與疾病鈣粘素功能的喪失，使惡性腫瘤容易擴散；缺失E-鈣粘素可導致上皮腫瘤的發(fā)生；E-鈣粘素表達越多，細胞轉移越少；升高惡性腫瘤細胞中鈣粘素的表達，有利于抑制腫瘤選擇素selectin選擇素是一類依賴于Ca2+的異親性細胞黏附分子，能特異性識別其他細胞表面寡糖鏈中的特定糖基，介導白細胞與血管內皮細胞、血小板的識別和暫時性黏附，幫助白細胞、血小板進入炎癥部位選擇素家族包括3種成員：L-選擇素(L-selectin)：最早在淋巴細胞被發(fā)現(xiàn)，在各種白細胞上都表達P-選擇素(P-selectin)：存在于血小板和內皮細胞E-選擇素(E-selectin)：存在于上皮細胞中淋巴器官的上皮細胞表達寡糖，能被淋巴細胞上的L-selectin所識別，使淋巴細胞被淋巴器官捕獲而走走停停，這個現(xiàn)象叫淋巴細胞的歸巢反應。L-選擇素就是這樣最早被發(fā)現(xiàn)命名的細胞黏附分子與細胞粘連活化后轉運至細胞表面1.選擇素的分子結構選擇素是單次跨膜糖蛋白，其胞外區(qū)由三個獨立結構域組成：N-末端的凝集素lectin結構域、表皮生長因子EGF樣結構域、補體結合蛋白同源結構域N-末端凝集素結構域：識別特異糖基，參與細胞間選擇性黏附的重要活性部位3種選擇素均可識別一類特定的糖基，Ca2+參與該識別黏附過程表皮生長因子結構域、補體結合蛋白結構域，具有加強分子間黏附以及參與補體系統(tǒng)調節(jié)等作用細胞黏附分子與細胞粘連選擇素分子的胞內區(qū)可通過錨定蛋白與細胞內微絲結合2.選擇素的功能主要功能是參與白細胞與血管內皮細胞或血小板的識別與黏附，幫助白細胞進入炎癥部位在炎癥部位，血管內皮表達E-選擇素，可識別白細胞和血小板上的寡糖鏈，由于這種識別結合較弱，加上血流的沖刷，白細胞在炎癥部位的血管中黏附、分離、再黏附、再分離，呈現(xiàn)滾動方式運動隨后激活了自身的整聯(lián)蛋白，由整聯(lián)蛋白介導白細胞與血管內皮的緊密結合，使白細胞經(jīng)內皮細胞間隙遷移至組織細胞黏附分子與細胞粘連免疫球蛋白超家族immunoglobin-superfamily,Ig-SF是一類分子結構中含有類似免疫球蛋白結構域、不依賴Ca2+的細胞黏附分子這類分子的胞外區(qū)由一個或多個免疫球蛋白(Ig)樣結構域組成；每個Ig結構域都是由90~110個aa形成的緊密折疊結構，其間有二硫鍵相連IgSF成員復雜，包括多個粘附分子家族，有的介導同親型細胞黏著，如各種神經(jīng)細胞黏附分子neuralcelladhesionmolecule,N-CAM，及血小板-內皮細胞黏附分子PE-CAM有的介導異親型細胞黏著，如細胞間粘附分子I-CAM、血管細胞粘附分子V-CAM等大多IgSF介導淋巴細胞和免疫應答細胞之間的特異的相互作用；一些IgSF成員，如N-CAM介導非免疫細胞的黏著細胞黏附分子與細胞粘連1.Ig-SF黏附分子的功能了解最多的是N-CAM，是一類表達于神經(jīng)細胞的Ig-SF黏附分子，由單一基因編碼，mRNA的選擇性剪接及糖基化的不同形成了20余種不同的N-CAM，其配體也是N-CAM所有N-CAM的胞外區(qū)都有5個Ig樣結構域，通過同親型黏著機制與相鄰細胞同類分子結合黏附載一起，與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、軸突的生長和再生、突觸的形成關系密切

N-CAM的基因缺陷可引起智力發(fā)育遲緩和其他神經(jīng)系統(tǒng)病變細胞黏附分子與細胞粘連一些Ig-SF成員通過異親型細胞黏附機制參與細胞黏附：如血管細胞粘附分子V-CAM，表達于血管內皮細胞表面，結合白細胞表面整聯(lián)蛋白α4β1，使白細胞沿內皮滾動并固著于炎癥部位的血管內皮，發(fā)生鋪展，進而分泌水解酶穿過血管壁細胞間粘附分子I-CAM，有多種類型，體內分布范圍廣，可表達于血管內皮細胞表面，結合白細胞表面整聯(lián)蛋白，在炎癥中發(fā)揮作用血小板-內皮細胞粘附分子PE-CAM，主要表達于內皮細胞和血小板，既可進行同親型黏著，又可進行異親型黏著，在血管內皮的緊密黏附中起主要作用2.Ig-SF黏附分子與醫(yī)學神經(jīng)細胞黏附分子L1(N-CAM-L1)主要在神經(jīng)細胞表達，與神經(jīng)元之間的黏附及相互作用有關；孕期過度飲酒，酒精可結合N-CAM-L1，致使胚胎小腦細胞間，喪失相互識別黏附能力，出現(xiàn)精神異常、顏面畸形；N-CAM-L1基因突變個體，具有相似表型FAS細胞黏附分子與細胞粘連I-CAM、V-CAM、PE-CAM在免疫排斥反應中具有重要作用；如I-CAM介導腫瘤細胞與白細胞的黏附，腫瘤細胞I-CAM表達降低可能與腫瘤細胞逃逸免疫監(jiān)視有關；I-CAM缺失的小鼠出現(xiàn)炎癥反應缺陷整聯(lián)蛋白家族integrin又稱整合素，是一類普遍存在于脊椎動物細胞表面，依賴Ca2+或Mg2+的異親型細胞粘附分子，介導細胞-細胞或細胞-細胞外基質的相互識別和黏附，具有聯(lián)系細胞內外的功能1.整聯(lián)蛋白是由α和β兩個亞基形成的異二聚體跨膜蛋白目前鑒定出24種不同的α亞基和9種β亞基，相互以非共價鍵相連α亞基和β亞基均由胞外區(qū)、跨膜區(qū)、胞內區(qū)三個部分組成；其胞外區(qū)的頭部區(qū)與配體結合胞內區(qū)很短，只含有30~50個aa，可通過與胞內的一些連接蛋白(踝細胞黏附分子與細胞粘連

蛋白、α輔肌動蛋白、Filamin、紐蛋白)與細胞內的肌動蛋白絲等骨架成分相互作用胞外區(qū)可與纖粘連蛋白、層粘連蛋白、膠原等含有Arg-Gly-Asp(RGD)三肽序列的細胞外基質成分結合，介導細胞與細胞外基質的黏著，如黏著斑、半橋粒細胞黏附分子與細胞粘連不同細胞表達的整聯(lián)蛋白在組成上不盡相同；一種整聯(lián)蛋白可以結合多種配體，一種配體也可結合多種整聯(lián)蛋白細胞黏附分子與細胞粘連2.整聯(lián)蛋白的功能①介導細胞間相互作用：一些細胞表面有與整聯(lián)蛋白結合的特異性配體，如IgSF，可以介導細胞間的反應β2亞基組成的整聯(lián)蛋白使白細胞在感染部位的血管內皮細胞上黏附，白細胞以此遷移出血管，進入炎癥部位β3亞基組成的整聯(lián)蛋白介導血小板的黏附，參與凝血過程細胞黏附分子與細胞粘連

②介導細胞與細胞外基質間的相互作用，將細胞外基質同細胞內的細胞骨架連成一個整體β1亞基組成的整聯(lián)蛋白其胞外區(qū)可與纖粘連蛋白、層粘連蛋白、膠原等含有Arg-Gly-Asp(RGD)三肽序列的細胞外基質成分結合，使細胞黏著于細胞外基質上整聯(lián)蛋白與配體低親和力，有利于細胞的運動或遷移③整聯(lián)蛋白在信號傳遞中發(fā)揮重要作用：整聯(lián)蛋白與配體集結成簇，除建立牢固結合，又可啟動信號轉導不同整聯(lián)蛋白與不同配體結合，可產(chǎn)生各種各樣的信號：包括Ca2+向胞質的釋放、磷酸肌醇第二信使的合成及細胞內蛋白質酪氨酸的磷酸化等從而調節(jié)細胞的運動、生長、增殖、分化、存活等細胞黏附分子與細胞粘連整聯(lián)蛋白與其配體的結合受到精確調控；一些情況下，細胞外的信號激活細胞內的級聯(lián)信號分子，改變整聯(lián)蛋白的構象，使之胞外區(qū)能夠與其相應的配體結合，而介導細胞間的黏附，機制不清上述這種從細胞內部控制整聯(lián)蛋白與配體結合的方式，稱：胞內信號外傳inside-outsignaling，這對血