医学细胞生物学细胞骨架

1、2015年春夏学期章 淑 芳 副教授浙江大学医学院干细胞与组织工程中心：zhangshufangWebsite:1Musculoskelsystem物质cytoskeleton细胞运动细胞表达维持形态3医学奖美国的奖2012年基础医学奖获得者：细胞骨架马达蛋白驱动蛋白沿微管运动4细胞骨架的发现Keith Roberts Porter(19121997)5什么是细胞骨架？定义：指真核细胞中由不同蛋白质交织而成、保持细胞形态结构和定向运动的立体络体系。 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广义：膜骨架、细胞质骨架、核纤层、核骨架、细胞外基质，网络结构。细胞内外的狭义：指细胞质骨架，位于细胞质中，由微丝、微管、中间型的网络结构。 弥散性、整体性、变动性67细胞质骨架分布：微管：主要分布于核周围，并呈放射状四周扩散微丝：主要分布于细胞质膜的内侧中间：分布于整个细胞中Actin filamentsIntermediate filamentsMicrotubules89细胞质骨架的共同特点由

3、蛋白质的线性多聚体微管微丝中间(258(nm)nm)10nm)动态，可组装和去组装高度保守10学习目的和要求 掌握细胞骨架的概念、三种细胞骨架的组成、结构及功能 熟悉微丝、微管在体内的组装模式 了解细胞骨架异常与疾病的关系11第一节微管（Microtubule）12微管（microtubule）是细胞骨架系统中的另外一种重要成分，存在于所有真核细胞中，属于真核细胞特有的保守性结构。在细胞质内的微管，呈网状或分布，参与维持细胞形态、细胞极性、细胞运动、胞内物质以及细胞有丝和减数等重要生理过程。13学习目标 微管的组成 微管的结构 微管组装的过程、特点及调控 微管的功能141.1 微管(micro

4、tubule)组成（一）微管蛋白（tubulin）：由微管蛋白(tubulin)组成的不分支的中空小管。直径：内径为14-15nm，外径为2225nm。横断面上看：它是由13根原呈纵向平行排列而成。F 15nmF24-26nm微管横断面21313412561171089a.微管结构模式图 b.微管横切面C.电镜图象15微管蛋白的分类微管蛋白常以微管蛋白异二聚体形式游离存在-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个GTP结合位点、二价阳离子（Mg2+、Ca2+）结合位点、秋水仙素(colchicine)和长春碱（vinblastine）结合位点。微管蛋白结合的GTP不

5、可水解为GDP；微管蛋白结合的GTP可水解为GDP17(二)微管相关蛋白(microtubule-associatedprotein,MAP) 一类可与微管结合并与微管蛋白共同组成微的蛋白； 功能与种类：促进微管；增加微管稳定性或强度；促进微管组装。I型MAP：MAP1a、MAP1bII型MAP：MAP2a/b/c(神经细胞)、MAP4、Tau19201.2 微管的结构由微管蛋白组成的不分支的中空小管：由13根原呈纵向平行排列而成AABABC单管(13根原组成，是胞质微管的主要存在形式)二联管（A管13根三联管（ A管13根原，原，B管10根，B、C管10根，主要分布在中 心粒及纤毛和鞭毛的基

6、体中 ）主要分布在纤毛和鞭毛的杆状部分 ）较稳定的微管：鞭毛、纤毛、轴突。动态的微管：纺锤体、中心体、星射线21中心粒（三联管）鞭毛（二联管）1.3 微管的组装(一) 微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC):决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构。常见的MTOC：1.鞭毛纤毛细胞基体(性结构)2.细胞有丝纺锤体极(动态微管)233.间期细胞中心体(动态微管)24神经细胞细胞间期细胞有纤毛的细胞1.3 微管的组装(二) 中心体(centrosome):动物细胞中主要的微管组织中心。CBACC B AABAC B ACBAA B CBC中心粒AA

7、BCBC中心粒小轮9 X 3251.3 微管的组装(三) 微管组装过程及动态调节a首尾相连聚合异二聚体aba微管蛋白b微管蛋白b原（13）ababababab微管b a ba babababababababa26组装条件 ： 微管蛋白异二聚体达到临界浓度(1mg/ml)、 有Mg2+存在（无Ca2+） pH6.9、37， 需要由GTP提供能量微管的组装三个时期延迟期(lag phase) 又称成核期(nucleation phase)，由a、b微管蛋白聚寡聚体，接着二聚体在其两端和侧面增加使之扩展成片状带，加宽成13根原即一段微管。聚合期(polymerization phase) 又称为延长

8、期（elongation phase），该期微管蛋白聚合速度大于解聚速度，微管延长。稳定期(steady state) 又称为平衡期（equilibrium phase）， 微管的组装与去组装速度相等，微管长度相对恒定。27微管体外组装1972年Weisenbery小鼠分离微管蛋白体外组装bababababababbabb ababababbaab ababbababababababaabbab ababbab ab ab aabbab ab ab aabbab aab aabb ab aabb ab aababb aaa28-踏车+微管组装的特点 微管具有极性：正极的组装速度快；装配时由负到

9、正。 正极最外端为球蛋白，负极最外端为球蛋白。 踏车现象(tread)：微管蛋白、GTP浓度达到一定浓度时，在正端结合上去的微管蛋白与负端度相同时，微管长度不变，出现了踏车现象。出来的速 动态不稳定性：微管蛋白、GTP浓度较高微管组装微管去组装微管蛋白、GTP浓度较低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当GTP微管蛋白异二聚体添加到微管正极（+）组装速度大于GDP的水解速

12、度时,形成GTP帽,微; 当GTP的微管蛋白聚合速度小于GTP的水解速度， GTP帽不断缩小出GDP微管蛋白，并迅速脱落,使微管缩短，导致微管结构上的不稳定。31影响微管聚合与解聚的因素温度超过20有利于组装;低于4引起分解。秋水仙素(colchicine)和长春花碱(vinblastine)引起分解；紫杉醇(taxol)促进组装。离子Ca2+低时促进组装，引起分解。3334紫杉醇（taxol）如何抗肿瘤？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，维持细胞的形态； 参与细胞内物质； 形成纺锤体，参与的运动，调节细胞；纤毛、鞭毛和中心粒等细胞运动，参与细胞运动；36支架作用提供机械支持力帮助细胞产生极性，确定方向37正常红细胞球形红细胞38参与细胞内物质的微管为细胞内物质的:提供轨道,通过马达蛋白(motorprotein)完成物质任务。驱动蛋白(kinesin)微管作为运行轨道马达蛋白动力蛋白(dynein)肌球蛋白(myosin)40微管参与有丝形成纺锤体，在细胞是牵引达到极。41微管参与细胞运动鞭毛(flagellae)、纤毛(cilia)运动基体(basalbo

15、dy)：9+0结构，9个三联微管轴丝鞭杆基本结构纤毛本体细胞膜基 体纤毛小根42微管鞘放射辐两条动力蛋白臂2个单微管为微管9个二联微管鞭杆基体43Human sperm44第二节微丝（microfilament）45学习目标 微丝的组成 微丝的结构 微丝组装的过程、特点及调控 微丝的功能462.1 微丝的组成基本肌动蛋白(actin)种类：-actin：存在于横纹肌、心肌、和肠道平滑肌细胞-actin、 -actin：存在于所有肌肉细胞、非肌肉细胞特点：呈哑铃形具有极性:+端/-端保守性：存在所有真核动物47肌动蛋白存在方式：球状肌动蛋白 (肌动蛋白单体 G-actin)状肌动蛋白 (肌动蛋白

16、聚合体 F-actin)48肌动蛋白单体(G-actin)由375个AA组成，量为43kDa。有4个结构域（1-4），其上有二个结合位点，一个是ATP(或ADP)结合位点,二价阳离子(Mg2+、Ca2+)的结合位点。另一个是494ATP231PDB 2BTFG-actin2.2 微丝的结构 在电镜下，由两条头尾相连的线性排列的肌动蛋白链形成的双股螺旋结构， 每14个球状肌动蛋白旋转一圈，右手螺旋方式。 微丝在细胞质中分布不均匀，于细胞皮质区（细胞膜的内侧）比较集中。502.3 微丝的组装组装条件：G-actin浓度、盐浓度（ Mg2+和K+ ）、ATP 当溶液中含有ATP、Mg2+以及较高浓度

17、的K+或Na+时，G-肌动蛋白可自组装成F-肌动蛋白； 当溶液中含有适当浓度的Ca2+以及低浓度的Na+、K+时，肌动蛋白趋向于解聚成肌动蛋白单体。51微丝的体外组装：成核期(nucleation phase) 延长期(elongationphase)稳定期(steady-state phase)“踏车”现象52微丝组装的特点 微丝具有极性：正极的组装速度快。 踏车现象(tread度相同。)：微丝组装的速度和去组装的速 动态不稳定性：G-actin、ATP浓度较高微丝组装G-actin 、ATP浓度较低微丝去组装53微丝的体内组装 ：微丝体内组装在时空上受一系列肌动蛋白结合蛋白的调节成核因子通

18、过成核作用来肌动蛋白的聚合白(nucleating protein)微丝成 Arp2/3复合物：促使形成微丝网络结构，由Arp2、Arp3和其他5种附属蛋白组成，具有与微管成核时-TuRC相似的作用，是微丝组装的起始复合物。白formin：启动细胞内不分支微丝的形成 成54+-Arp2/3 (actin-related protein, ARP)Arp2/3Arp2/3 是actin 聚合的成片状伪足中含量丰富。白，在actin-ADP具有与微管成核时-TuRC相似的作用，是微丝组装的起始复合物，位actin-ATP于肌动蛋白的负极。成核刺激因子 (NPF)被活化， Arp2/3 复合物以70

19、度角结合到一个已存在的 actin的一侧，开始组装一个新的actin。结果产生一个Y-形分枝结构。55微丝装配的成核作用及微丝网络的形成A.纤丝状肌动蛋白的成核作用； B.微丝过程56影响微丝组装的与离子： 细胞松弛素(cytochalasin)：与MF的正端结合，引起微丝的解聚，抑制组装过程 ，细胞松弛素B和细胞松弛素D 鬼笔环肽(phalloidin)：只与聚合的MF结合，稳定微丝、促进微丝聚合, 抑制微丝解聚，使微丝保持稳定状态 (特异性结合和稳定F-肌动蛋白，可用于鉴定F-肌动蛋白)。 ATP和Ca2+、低浓度的单价离子(Na+、K+等)溶液中：微丝趋向解聚成G-actin。 Mg2+

20、和高浓度的Na+、K+离子溶液中：微丝趋向聚合F-actin。572.4 微丝的功能 维持细胞形态微绒毛 (microvilli)肌动蛋白(actin fiber)应力(stress fiber) 参与细胞运动 参与细胞58维持细胞的形态细胞的支架并维持细胞的形态，如细胞皮层、应力、微绒毛等。Actin creates gross morphological change in platelet cells59微绒毛（Microvilli）参与细胞胞质通过质膜下由微丝束形成的收缩环完成。收缩环是细胞有丝末期，两个即将的子细胞产生的，由平行排列的微丝和myosin组成。61参与细胞运动参与细胞的

21、多种运动形式： 变形运动、胞质环流、细胞的内吞和外吐等。细胞的变形运动微丝生长，使细胞表面突出，形成片足(Lamellipodia )在片足与基质接触的位置形成粘着斑(adhesion site)在肌球蛋白(myosin)的作用下，微丝滑动，使细胞主体迁移解除后方的粘着点62第三节中间丝(IntermediateFilament, IF)63学习目标 中间丝的组成 中间丝的结构 中间丝组装的过程、特点及调控 中间丝的功能643.1 中间丝(IF)的组成 中间丝（中间）直径（10nm）介于微丝和微管之间，是一种坚韧、耐久的蛋白质主要起支撑作用。 爪和头发主要由中间蛋白组成。在上皮细胞和神经元的轴

22、中，中间的10丝的含量是微丝或微管倍。 中间丝的基本组成单体中间653.2 中间丝(IF)的结构310个氨基酸残基或356个氨基酸残基(I-IV型和VI型IF)(V型IF)a-螺旋杆状区中间单体共同结构域头部（N-端）非螺旋区尾部（C-端）尾部（C-端）头部（N-端）长度高度可变长度高度可变单体聚合结构基础66杆状 区中间丝(IF)的结构特点： 螺旋的杆区：长度和顺序都高度保守。球形端部：N端和C端氨基酸序列变化较大，不同中间丝的区别所在。结构稳定：既不受秋水仙素也不受细胞松弛B素影响没有极性L12连接L2连接L1连接N-端C-端1Aa-螺旋1Ba-螺旋2Aa-螺旋2Ba-螺旋区区区351 0

23、 191218-14816-1767几种中间的模式图68中间丝(IF)的类型: 角蛋白(keratin)主要在表皮细胞中，分为和两类。角蛋白为头发、指甲等坚韧结构所有; 亦称胞质角蛋白。 结蛋白(desmin)角蛋白位于胞内，亦称骨骼蛋白(skeletin)，存在于肌肉细胞，主要功能是使肌连在一起。 胶质原酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)存在于星形神经胶质细胞和雪旺细胞，主要起支撑作用。蛋白(vimentin)细胞及中胚层来源的细胞 波形存在 神经纤丝蛋白(neurofilament)存在于神经元69单纯性大苞性表皮松懈症mutation

24、in keratin gene70中间丝具有组织特异性肿瘤诊断中的应用： 用于确定某些肿瘤的细胞，Why？ 肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的中间。fluorescent-tagged antibodiesEpithelial cancers and mesenchymal cancers are sensitive to different treatments来自于胸腺和肠胃道的包含角蛋白，缺乏波形蛋白，表明它们来源于上皮细胞，而不是基质间叶细胞。71中间丝结合蛋白(intermediate filament associated protein，IFAP)是一类在结构和功能上与中间丝有密切，但其本身不是中间丝结构组分的蛋白。使中间丝之间交联、，并把中间丝交联到质膜或其他骨架成分上。目前已知约15种 。IFAP共同特征：具有中间丝类型特异