郑大细胞生物学 第九章.ppt
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1、第九章 细胞骨架(Cytoskeleton) 细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架 体系 有狭义和广义两种概念 在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。 在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。核骨架 、 核纤层与中间纤维在结构上相互连接, 贯穿 于细胞核和细胞质的网架体系。 细胞质骨架 核骨架 第一节 细胞质骨架 微丝(microfilament, MF) 微 管(microtubules) 中间纤维(intermediate filament,IF) 细胞骨架结构与功能总结 细胞质骨架主要成分的比较 第二节 细胞核骨架 核基质(Nuclear Matrix) 染色体骨架 核纤层(Nucle
2、ar Lamina ) 一、微丝(microfilament, MF) 又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核 细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。微丝和它的 结合蛋白(association protion)以及肌球蛋白(myosin)三者构成化学 机械系统,利用化学能产生机械运动。 成分 装配 微丝特异性药物 微丝结合蛋白 微丝功能 肌肉收缩(muscle contraction) 成 分 肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外 观呈哑铃状, 这种actin又叫G-actin(球形 肌动蛋白),将G-actin形成的微丝又称为 F-acti
3、n(纤维形肌动蛋白)。 装 配 微丝(MF)是由G-actin单体形成的多聚体,肌动蛋白单体具有极性, 装配时呈头尾相接, 故微丝具有极性,既正极与负极之别。 体外实验表明,MF正极与负极都能生长,生长快的一端为正 极,慢的一端为负极;去装配时,负极比正极快。由于G-actin 在正极端装配,负极去装配,从而表现为踏车行为。 体内装配时,MF呈现出动态不稳定性,主要取决于F-actin(纤维形肌 动蛋白)结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。 MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在体内, 有些微丝是 永久性的结构, 有些微丝是暂时性的结构。 微丝特异性药物 细胞松弛素
4、(cytochalasins):可以切断微丝,并结合 在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。 鬼笔环肽(philloidin):与微丝侧面结合,防止MF解聚。 影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害,说明 微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动 态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋 白的影响。 微丝结合蛋白 整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到 不同的细胞骨架结合蛋白的调节。 actin单体结合蛋白 这些小分子蛋白与actin单体结合,阻止其添加到 微丝末端,当细胞需要单体时才释放,主要用于actin 装配的调节,如proflin(抑制蛋白)等。 微丝结合蛋白
5、 微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式: 平行束Parallel bundle: MF同向平行排列,主要 发 现于微绒毛与丝状伪足。 收缩束Contractile bundle: MF反向平行排列, 主要 发现于应力纤维和有丝分裂收缩环。 胶状网Gel-like network: 细胞皮层(cell cortex)中 微丝 排列形式,MF相互交错排列。 微丝功能 维持细胞形态,赋予质膜机械强度 细胞运动 微绒毛(microvillus) 应力纤维(stress fiber) 参与胞质分裂 肌肉收缩(muscle contraction) 微丝遍及胞质各处,集中分布于质膜 下,和其结合蛋白形
6、成网络结构,维持细 胞形状和赋予质膜机械强度,如哺乳动物 红细胞膜骨架的作用。 成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关 细胞运动 是肠上皮细胞的指状突起,用以增 加肠上皮细胞表面积,以利于营养的快 速吸收。 微绒毛(microvillus) 应力纤维(stress fiber):广泛存在于真核细胞 。 成分:肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅 肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着 。 (细胞贴壁与粘着斑的形成相关,在形成粘合 斑的质膜下,微丝紧密平行排列成束,形成应力 纤维,具有收缩功能。) 收缩环由大量反向平行排列的微丝组 成,其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白 相对滑动。 肌肉收缩(mus
7、cle contraction) 肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高 的能量转换器,它直接将化学能转变为机械能。 肌肉的细微结构(以骨骼肌为例) 肌小节的组成 肌肉收缩系统中的有关蛋白 肌肉收缩的滑动模型 由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程 肌肉收缩系统中的有关蛋白 肌球蛋白(myosin)所有actin-dependent motor proteins都属于该 家族,其 头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。 肌球蛋白是一种分子发动发动 机,肌动动蛋白纤维纤维 是肌球蛋白运行的轨轨道。 肌球蛋白 也是ATPase, 通过过ATP的水解导导致构型的变变化从而在肌动动蛋白 丝丝上
8、移动动。主要类类型肌球蛋白: 肌球蛋白、肌球蛋白和肌球蛋白 。 Myosin 主要分布于肌细胞,有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部 链,多个Myosin尾部相互缠绕,形成myosin filament,即粗肌丝。 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平行的多肽链形成-螺旋 构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,结合于细丝, 调节肌动蛋白与肌球 蛋白头部的结合。 肌钙蛋白 (Troponin, Tn)为复合物,包括三个亚基:TnC(Ca2+敏 感性蛋白)能特异与Ca2+结合; TnT(与原肌球蛋白结合); TnI(抑制肌球蛋白 ATPase活性) 由神经冲动诱发的肌肉收缩基本
9、过程 动作电位的产生 Ca2+的释放 原肌球蛋白位移 肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动 Ca2+的回收 二微 管(Microtubules) 微管在胞质中形成网络结构,作为运输路轨并起支撑作用。微管 是由微管蛋白组成的管状结构,对低温、高压和秋水仙素敏感 。 微管结构与组成 装配 微管特异性药物 微管组织中心(MTOC) 微管相关蛋白(MAP) 微管功能 微管结构与组成 微管可装配成单管,二联管(纤毛和 鞭毛中),三联管(中心粒和基体中)。 装配 装配方式 所有的微管都有确定的极性 微管装配是一个动态不稳定过程 -微管蛋白和-微管蛋白形 成二聚体,二聚体先形成环 状核心(ring),经过侧面增
10、加二聚 体而扩展为螺旋带,二聚体平 行于长轴重复排列形成原纤维 (protofilament)。当螺旋带加宽 至13根原纤维时,即合拢形成一 段微管。 微管具有极性,(+)极(plus end)生长速度快,(-)极 (minus end)生长速度慢,也就 是说微管蛋白在(+)极的添加 速度高于-极。(+)极的最外端 是球蛋白,(-)极的最外端 是球蛋白。微管和微丝一样具 有踏车行为。 微管装配的动力学不稳定性是指微管装配 生长与快速去装配的一个交替变换的现象 动力学不稳定性产生的原因: 微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微 管将继续组装,反之,无GDP帽则解聚。 微管特异性药物 秋水仙
11、素(colchicine) 阻断微管蛋 白组装成微管,可破坏纺锤体结构。 紫杉酚(taxol)能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。 微管的动力学不稳定性是其功能正常发挥 的基础。 微管组织中心(MTOC) 概念: 常见微管组织中心 中心体(centrosome) 基体(basal body) 微管组织中心(microtubule organizing center MTOCs)是微管进行组装的区域,着 丝粒、成膜体、中心体、基体均具有微管组织 中心的功能。所有微管组织中心都具有微管 球蛋白,这种球蛋白的含量很低,可聚合成环 状复合体,像模板一样参与微管蛋白的核化, 帮助和球蛋白聚合为微管
12、纤维。 常见微管组织中心 间期细胞MTOC: 中心体(动态微管) 分裂细胞MTOC:有丝分裂纺锤体极(动态微管) 鞭毛纤毛细胞MTOC:基体(永久性结构) 中心体(centrosome) 中心体(centrosome)结构 中心体复制周期 管蛋白:位于中心体周围的基质中,环形 结构,结构稳定,为微管蛋白二聚体提 供起始装配位点,所以又叫成核位点 基体(basal body) 位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体( basal body ) 中心粒和基体均具有自我复制性质 微管结合蛋白 (Microtubule Associated Protein, MAP) 微管结合蛋白(microtubul
13、e associated proteins MAPs)分子 至少包含一个结合微管的结构域和一 个向外突出的结构域。突出部位伸到 微管外与其它细胞组分(如微管束、 中间纤维、质膜)结合(图)。 MAP的主要功能是: 促进微管聚集成束; 增加微管稳定性或强度; 促进微管组装。 包括I 型和II型两大类, I 型对热敏感,如MAP1a、 MAP1b ,主要存在于神经细胞 。 II型热稳定性高,包括 MAP2a、b、c ,MAP4和tau蛋白。其中 MAP2只存 在于神经细胞,,MAP2a的含量减少 影响树突的生长。 将细细胞裂解后分离微管, 并在4下处处理使微 管去聚合, 将冷处处理的样样品进进行离
14、心, 除去不 溶性的物质质, 然后将含有微管蛋白二聚体的上 清液于37温育, 让让微管组组装。 但是,经过经过 多次组组装-去组组装分离纯纯化的微管 蛋白制品中仍然含有少量的其他蛋白。有与 微管蛋白共纯纯化的蛋白存在, 说说明这这些蛋白是 与微管蛋白特异性结结合的, 而不是非特异蛋白 的污污染。免疫荧荧光显显微镜观镜观 察培养细细胞也发发 现现有与微管蛋白结结合的蛋白存在, 后来将这这一 类类微管辅辅助蛋白称为为微管结结合蛋白,在微管 结结构中约约占10-15%。 微管功能 维持细胞形态 细胞内物质的运输 细胞器的定位 鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 纺锤体与染色体运动
15、维持细胞形态 用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞 变圆,说明微管对维持细胞的不对称形状是重要 的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的 形成和维持, 微管亦起关键作用。 细胞内物质的运输 真核细胞内部是高度区域化的体系, 细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过 细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其Motor protein有关。 Motor proteins 分子发动机的运输是单方向进行的,一种发动机分子只能引导一种方向的运 输。例如驱动蛋白只能引导沿微管的(-)端向(+)端的运输,而动力蛋白则是从 (+)端向(-)端运输。 分子发动机引导的运输是逐步行进而不像火车的轮子
16、是连续运行的。之所以 要逐步进行,是因为分子发动机要通过一系列的构型变化才能完成行进的动 作。 神经元轴突运输的类型及运输模式 色素颗粒的运输 Motor proteins 目前已鉴定的引擎蛋白Motor proteins多达数十种。根据其结合的骨架纤维 以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。 至今所发现发现 的分子发动发动 机可分为为三个不同的家族肌球蛋白(myosins)家族 、驱动驱动 蛋白(kinesins)家族、动动力蛋白(dyneins)家族。 其中驱动驱动 蛋白和动动力蛋白是以微管作为为运行的轨轨道,而肌球蛋白则则是以肌 动动蛋白纤维纤维 作为为运行的轨轨道。尚不清楚是否
17、有以中间纤维为间纤维为 运行轨轨道的 发动发动 机分子。 胞质中微管motor protein分为两大类: 驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动 动力蛋白(cytoplasmic dynein):朝微管的负极运动 Kinesin与Dynein的分子结构 Kinesin与Dynein的运输方式 神经元轴突运输的类型 轴突运输的类型 鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 纤毛和鞭毛的运动形式 纤毛与鞭毛的结构 纤毛运动机制 三、中间纤维(intermediate filament,IF) 10nm纤维,因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间, 故被命名 为中间纤维。IF几乎
18、分布于所有动物细胞,往往形成一个网 络结构,特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富 。如上皮细胞中。除了胞质中,在内核膜下的核纤层也属于 IF。 中间纤维的装配 中间纤维的成分与分布 中间纤维结合蛋白( IFAP )及其判定标准 中间纤维的功能 中间纤维的装配 中间纤维装配过程 IF装配与MF,MT装配相比,有以下几个特点: IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形); 反向平行的四聚体导致IF不具有极性; IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助, 在体内装配后,细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在 形式也可以受到细胞调节,如核纤层的装配与解聚)。 中间纤维的成分与分布
19、 IF成分比MF,MT复杂,具有组织特异性。 IF在形态上相似,而化学组成有明显的差别。 中间纤维类型与分布 中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性 中间纤维分类与分布 中间纤维的功能 增强细胞抗机械压力的能力 角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持 结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分,位于肌节的 外围, 不参与肌收缩, 但是具有结构上的功能:维持肌 节的稳定。 神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用 参与传递细胞内机械的或分子的信息 中间纤维与mRNA的运输有关 第二节 细胞核骨架 核基质(Nuclear Matrix) 染色体骨架 核纤层(Nuclear Lamina) 核基质(Nuclear Ma
20、trix) 形态结构 成分 核骨架结合序列 功能 形态结构 研究核骨架的分级抽提方法 非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分 随之流失; 再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微 丝与一些蛋白结构被溶去,胞质中只有中间纤维网能完 好存留; 然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中 DNA、RNA和组蛋白被抽提, 最终核内呈现一个精细 发达的核骨架网络。 结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法,可清晰地显 示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。 成分 核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分 组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是核骨架蛋白 及核骨架结合蛋白,并含有少
21、量RNA。 核骨架蛋白 骨架结合蛋白 其它 核骨架结合序列 DNA序列中的核骨架结合序列(matrix associated region, MAR) 这部分DNA与核骨架蛋白的结合不为高盐溶液抽提所破坏,在基因表 达调控中有作用 核骨架结合序列的基本特征 MAR的功能 通过与核骨架蛋白的结合,将DNA放射环锚定在核骨架上; 作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。 核骨架结合序列的基本特征 富含AT 富含DNA解旋元件(DNA unwinding elements) 富含反向重复序列(Inverted Repeats) 含有转录因子结合位点。 功能 核骨架与DNA复制 为DNA的复制提供支架,
22、DNA是以复制环的形式锚定在核骨架上的, 核骨架上有DNA复制所需要的酶,如:DNA聚合酶、DNA引物酶、DNA拓朴 异构酶II等。DNA的自主复制序列(ARS)也是结合在核骨架上。 核骨架与基因表达 大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。具有转 录活性的基因是结合在核骨架上的; RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。 核骨架与病毒复制 作为外源基因的病毒DNA,其基因表达过程与高等真核细胞自身基 因表达有相似的规律,其DNA复制、RNA转录及加工均需依赖核骨架。 核骨架与染色体构建 现在一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质,30nm的染色质纤维就 是结合在核骨架上,形成
23、放射环状的结构,在分裂期进一步包装成光 学显微镜下可见的染色体 二、染色体骨架 染色体骨架/放射环模型 染色体骨架的真实性 银染法能选择性地显示染色体轴结构 DNA酶和RNA酶处理或用0.4mol/L H2SO4处理去除组蛋白,对 染色体轴没有影响,用胰蛋白酶消化则染色体轴破坏,说明 染色体轴是非组蛋白性的。 染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接证据 DNA放射环上发现的骨架结合区域表明DNA放射环是染色 质中结构和功能单位,非组蛋白骨架是DNA放射环的组织者 。 DNA拓扑异构酶II是一种主要的染色体支架结构蛋白。 三、核纤层(Nuclear Lamina) 核纤层分布与形态结构
24、成分核纤层蛋白(Lamin) 核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系 核纤层蛋白在细胞分化中的表达具有细胞特异性 核纤层在细胞周期中的变化 功能 成分核纤层蛋白(Lamin) 哺乳动物和鸟类细胞中有 核纤层蛋白A 核纤层蛋白B 核纤层蛋白C 核纤层蛋白的分子结构及 其与中间纤维蛋白的关系 核纤层与中间纤维之间的共同点 两者均形成10nm纤维; 两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提; 某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应 LaminA和LaminC的cDNA克隆推导出核纤层蛋白的氨基酸顺序与中 间纤维蛋白高度保守的-螺旋区有很强的同源性, 说明核纤层 蛋白是中间纤维蛋白. 核纤层
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