细胞骨架-李银萍20150915

细胞骨架与疾病 (Cytoskeleton and Disease),武汉大学基础医学院病理生理学教研室李银萍2015. 09,讲述内容,细胞骨架与疾病,细胞骨架的结构与功能,细胞骨架与疾病,细胞骨架的结构与功能,细胞大多不对称，细胞形态如何维持？细胞如何运动, 如何收缩和迁移？,一、 什么是细胞骨架?细胞骨架是指存在于真核细胞胞质和胞核中的纤维蛋白网架体系。细胞质：微丝、微管、中间纤维细胞核：核骨架-核纤层体系核骨架 -核纤层与细胞质中间纤维在结构上相互连接，贯穿于细胞核和细胞质,二、 细胞骨架的基本结构和功能,它是一个动力结构，也是一个功能结构系统。通常所说的细胞骨架是指细胞质中的骨架系统，包含：微丝（Microfilaments, MF）微管（Microtubules, MT）中间纤维（Intermediate filament, IF）,微丝,中间纤维,微管,（一） 微丝（microfilament, MF）,1微丝组成：肌动蛋白(actin)组装构成的肌动蛋白丝，是微丝的主要成分肌动蛋白结合蛋白肌球蛋白,肌动蛋白,肌动蛋白单体，哑铃状, 又称G-actin，具有极性。,G-actin聚集组装形成的肌动蛋白纤维F-actin，并进一步形成螺旋状微丝。,F-actin的聚合：成核 延伸 平衡,1）肌动蛋白的组装过程,细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断肌动蛋白纤维使其变短；或结合在肌动蛋白纤维正极抑制肌动蛋白聚合, 导致微丝解聚。鬼笔环肽(phalloidine)：与聚合的肌动蛋白纤维侧面结合, 稳定肌动蛋白纤维、促进肌动蛋白纤维的聚合。肌动蛋白结合蛋白，如profilin, gelsolin等,2）影响肌动蛋白组装的因素,鬼笔环肽只特异与纤维性肌动蛋白结合，通过荧光标记的鬼笔环肽可清晰地显示细胞中的微丝。,肌动蛋白结合蛋白,调节整个骨架系统的结构和功能 肌球蛋白（myosin）：肌细胞中粗肌丝的主要成分，参与肌丝的滑行和肌纤维收缩。 原肌球蛋白（tropomyosin) ：调节肌动蛋白与肌球蛋白的结合。 肌钙蛋白（troponin): 调节肌动蛋白与肌球蛋白的结合，是肌细胞中细胞收缩-偶联的 重要因子。 其它结合蛋白如profilin，gelsolin, severin等, 调节肌动蛋白纤维的组装和稳定性及与周围结构的连接,,肌动蛋白结合蛋白,封端蛋白,交联蛋白,切断蛋白,单体抑制蛋白,捆绑蛋白,动力蛋白,微丝的组织形式：,平行束：同向平行排列，主要位于微绒毛与丝状伪足。 收缩束：反向平行排列，主要位于应力纤维和有丝分裂收缩环。网状交联：相互交错排列，如细胞皮质层(cell cortex)中微丝排列。,微绒毛中的微丝,收缩束,网状交联,2. 微丝的功能, 维持细胞形态，赋予细胞膜一定的机械强度。 细胞运动，如变形、迁移、吞噬等。 形成胞质收缩环，参与细胞分裂。参与肌肉收缩和舒张。参与细胞内物质运输和细胞内信号转导 如调控细胞迁移、Cortactin调控细胞粘附等,细胞迁移,,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,应力纤维（stress fiber）,细胞贴壁与粘着斑的形成相关，在形成粘着斑的质膜下，微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维,具有收缩功能。,粘附斑形成，参与细胞与细胞外基质的粘附,肌肉收缩和舒张,细胞有丝分裂,收缩环,（二） 微管,微管结构与组成：微管蛋白形成的原丝,13根原丝排列构成微管微管结合蛋白(Microtubule Associated Protein, MAP),2. 微管的装配,型：通过突出结构域在微管间形成横桥。型：可将微管交联成粗的微管束。,微管结合蛋白（MAP）,附着于微管多聚体上，参与微管的装配并增加微管的稳定性，包括MAP1-4, Tau蛋白。,3. 影响微管装配的因素,秋水仙素(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，阻断微管的动态装配。,4. 微管功能,维持细胞形态参与细胞内物质运输参与细胞内细胞器的定位和分布参与纤毛、鞭毛细胞运动器官的基本结构和运动构成纺锤体，参与细胞分裂过程参与细胞内信号转导,维持细胞形态,形成和维持细胞的突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突。 用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆。,细胞内物质的运输,真核细胞中合成的物质、一些细胞器等须经过细胞内运输过程。运输功能与微管及其结合蛋白特别是动力蛋白有关,驱动蛋白(kinesin): 向正极运动动力蛋白(dynein)：向负极运动微管：路轨,驱动蛋白,动力蛋白,驱动蛋白和动力蛋白介导不同细胞器的转运,为保证有丝分裂的正确进行，细胞进化了一个高度精确的机制：每一个重要步骤都是由微管动力蛋白和动态的微管一起执行的。,参与细胞分裂,有丝分裂时微管（绿色）和微丝形成的收缩环（蓝色）的变化,纤毛,鞭毛,细菌通过鞭毛的正、反向旋转控制运动,三、中间纤维（Intermediate Filament, IF),直径约10nm，介于微管和微丝之间,角蛋白（Keratin)波形蛋白 （Vimentin）结蛋白（desmin)神经纤丝蛋白（neurofilament)。,由原纤维形成中间纤维,1. 中间纤维的组装,结构稳定含量丰富 如上皮角质细胞、神经元中占细胞总蛋白80%左右严格的组织特异性 角蛋白纤维（keratin filament)：皮肤和毛发中表达 波形纤维（vimentin filament)：成纤维细胞和内皮细胞等中胚层的细胞中表达 结蛋白纤维(desmin filament)：成熟肌细胞表达 神经元纤维（neurofilament)：神经细胞表达 神经胶质纤维（glial filament)：星形神经胶质细胞表达结构相似，化学特性差异显著,2. 中间纤维的特点,中间纤维分类与分布,3. 中间纤维的功能,参与构成细胞的支撑网架，增强细胞抗机械压力的能力 外与细胞膜及细胞外基质相连，内与核纤层联系，在胞质中与微丝、微管及其它细胞器有错综复杂的纤维网络。参与细胞间连接：细胞桥粒、半桥粒、粘附斑结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用参与传递细胞内机械的或分子的信息,Z盘中含有中间纤维，在肌肉收缩时可保持肌小节的稳定,细胞内各种蛋白成分交联、功能上互相协调,三、骨架异常与疾病,心血管系统疾病神经系统疾病呼吸系统疾病消化系统疾病免疫系统疾病感染性疾病肿瘤的侵润、转移。,遗传性红细胞膜缺陷病（椭圆形、球形红细胞增多症） 红细胞异形、脆性增加，破裂溶血 细胞骨架蛋白质和量缺陷：肌动蛋白、蛋白4.1、血影蛋白、锚定蛋白,细胞膜功能障碍,微丝与疾病,细胞收缩能力障碍,先天性肌无力 肌肉收缩相关蛋白异常：肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白基因突变,各种导致心肌肥大的因素如压力负荷过度、儿茶酚胺和血管紧张素的大量释放及炎性因子TNF等均可影响心肌细胞骨架的结构和功能。如：肌动蛋白和肌球蛋白表达减少，胎儿型肌球蛋白ATP酶表达增加，降低心肌收缩力，最终可以导致心力衰竭。,家族性肥厚型心肌病,肌球蛋白重链突变（30-35%）：45种肌球蛋白轻链突变肌动蛋白及其结合蛋白突变,心肌肥大,胆道括约肌中微丝集结成束，控制胆流。细胞骨架的改变胆道括约肌收缩功能紊乱,胆道疾病,WiskottAldrich综合症 树突状细胞-T细胞粘附障碍，免疫功能降低 主要表现：免疫缺陷和血小板减少,WASP （WiskottAldrich syndrome protein) 微丝调控蛋白，突变或缺失可引起WiskottAldrich综合症,细胞粘附障碍,高发部位：血流剪切力异常变化的部位，如动脉的弯曲处或分叉处，易形成涡流。方向异常的剪切力及过高、过低的剪切力都会引起内皮细胞骨架异常重排，甚至直接损伤骨架蛋白，并进一步损伤细胞间及内皮细胞与内皮细胞下基质的连接，损伤内皮屏障功能。,氧化低密度脂蛋白、TNF等可以直接损伤细胞骨架特别是肌动蛋白，使内皮细胞的结构和功能严重受损，甚至凋亡脱离，内皮屏障功能障碍，促进疾病的发展。,动脉粥样硬化（AS）,HUVECs受剪切力作用后的形态变化,Static condition ; Bar: 50m,10dyn/cm2 shear stress 24 h; Bar: 50m,静态细胞：微丝形成致密周围束,剪切力作用：沿流动方向排列的束状应力纤维。,剪切力的作用：先有骨架的重排，后有细胞形态的改变,剪切力的作用：先有骨架的重排，后有细胞形态的改变,微丝与细胞迁移和肿瘤浸润、转移,肌动蛋白及其结合蛋白、调节蛋白调控细胞迁移 WAVE3：乳腺癌中表达水平与癌症恶性程度相关 VASP的表达与磷酸化细胞迁移。,,微管与疾病,阿尔茨海默病 （Alzheimers Disease, AD） AD的神经元中聚合的功能性微管缺乏，使轴突与胞体营养物质转运障碍，导致轴突变性，最终细胞体凋亡。 主要是由于微管结合蛋白Tau蛋白的过度磷酸化，而使微管解体。,,不孕不育、异位妊娠 生殖道上皮纤毛动力不足，生殖细胞运行障碍,慢性支气管炎、支气管哮喘 呼吸道上皮纤毛动力不足，分泌物、异物等排除障碍,先天性内脏转位 胚胎结内纤毛异常,脑发育异常、脑水肿 脑室管膜细胞上纤毛异常,中间纤维与疾病,单纯型大疱性表皮松解症（Epidermolysis Bul