第7讲细胞骨架研究进展

1第七讲细胞骨架研究进展1.细胞骨架的组成成分细胞骨架聚合物控制着真核细胞的形态和动力学特征，包括3种主要形式：肌动蛋白丝(actinfilament，AF)、微管(microtubule，MrI1)和中间丝(intermediatefilament，IF)，三者被组装成网络结构来抵制细胞变形，但在响应外应力时能够重新组装，在维持细胞完整性方面发挥着重要功能。肌动蛋白丝和微管的聚合与解聚是细胞形态变化的直接因素，与此同时分子马达在细胞各种组分的装配过程中发挥重要功能。由细胞骨架聚合物形成的网络框架的结构被几种类别的调控蛋白控制：成核蛋白(nucleation-promotingfactor，NPF，是纤维形成的起始结构；加帽蛋白(cappingprotein，CP)，可终止纤维的延伸；聚合酶，促进纤维更快更持久地延伸；解聚因子(depolymerizingfactor，DF)，属于肌动蛋白结合蛋白，是微丝骨架的一个重要调节者；交联蛋(crosslinkersprotein，CP)，能组织形成高度有序的网络结构。来自细胞内部或外部的机械刺激能影响这些调控因子的活动，反过来这些调控因子又能影响纤维网络局部的装配。三种主要细胞骨架聚合物具有不同的机械稳定性、装配水平、极性，与之结合的分子马达(molecularmotor)类型也不同。1．1微管和微丝微管是由微管蛋白原丝组成的不分支的中空管状结构。直径约25nm，是细胞骨架成分，与细胞支持和运动有关。纺锤体、真核细胞纤毛、中心粒等均系由微管组成的细胞器。微管有最复杂的聚合和解聚特征，在细胞内的压力下会弯曲，在分裂间期，许多细胞会集合放射状排列的微管以便利用其稳定性，这些微管担当起中心轮毂和细胞内运输功能。有丝分裂过程中，微管骨架会自发地重新排列形成纺锤体，把染色体排列在一条线上。一条微管能在两种状态之间交换：延伸和收缩。其动力学不稳定性使得微管骨架能快速地重组。微丝(microfilaments，MF)是由肌动蛋白分子螺旋状聚合成的纤丝，又称肌动蛋白丝，是细胞骨架的主要成分之一。微丝对细胞贴附、铺展、运动、内吞、细胞分裂等许多细胞功能具有重要作用。它没有微管稳固，但绑定肌动蛋白丝的交联蛋白具有高度稳定性，装配形成的束状网络结构和树突状网络结构高度稳定。成束的微丝对伸出的丝状伪足起支持作用，丝状伪足使细胞具有趋化性以及参与细胞间的通讯，并能够产生像在吞噬过程中细胞形态的变化。肌动蛋白丝能响应细胞信号系统的作用发生连续的聚合和解聚。如吞噬细胞伸出的伪足是在细胞表面接受趋化性的受体传递下来的信号刺激后，在细胞活跃的边缘带聚合成2的。成纤维细胞的收缩作用是在肌动蛋白束的装配过程中，细胞表面的跨膜蛋白与配体结合时触发的。当肌动蛋白纤维和一些解聚因子(比如切割蛋白家族成员)或与一些聚合因子相互作用时，会发生更加复杂的动力学变化。依赖于微管的驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白(dynein)和依赖于微丝的肌球蛋白fmyosin)这3类蛋白超家族成员构成分子马达。分子马达的功能是组织微管和肌动蛋白骨架，微管相连的分子马达对于细胞间期微管的组装以及有丝分裂纺锤体的形成至关重要。肌球蛋白分子马达也对压力纤维中排列的肌动蛋白丝的成束起重要作用，使得细胞能够接触并感知其外部环境。肌动蛋白结合蛋白(actin—bindingprotein，ABP)和成核促进因子(nucleation—promotingfactor，NPF)的活化促进肌动蛋白丝网络结构。肌动蛋白相关蛋白Arp2／3复合物(包括Arp2和Arp3)和肌动蛋白与已经存在的蛋白丝一端结合，因而产生了高度分枝的肌动蛋白纤维，这些纤维相互作用形成树突状网络结构，成核促进因子活化Arp2／3复合物介导产生分枝作用，且能和细胞膜特异性结合，确保分枝状纤维网络中新纤维的成核作用只发生在那些朝细胞膜方向生长的纤维中。最终加帽蛋白阻止新的肌动蛋白单体的添加而阻断其生长。生长、分枝和加帽过程的完成标志着肌动蛋白丝网络的形成，对细胞迁移运动至关重要。1．2中间丝中间丝是存在于真核细胞中介于微丝和微管之间，直径约10nm的纤丝，是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用，因组成的蛋白质不同而有不同的命名。它们抵制拉力的能力比抵制压力要强的多。它们能被交联蛋白彼此或与肌动蛋白丝和微管交联在一起，通过和微管或肌动蛋白丝相互作用来形成细胞外应力响应结构，如上皮细胞中的中间丝组装成一个致密的网络抵御外力作用。近年来的研究表明，由核纤层蛋白聚合而成的中间丝，能维持真核细胞胞核结构的完整；核纤层蛋白被细胞周期蛋白依赖的激酶磷酸化从而促进有丝分裂开始时核膜的溶解。不同于微管及肌动蛋白丝，中间丝无极性，不能支持分子马达有方向性的运动。2.细胞骨架网络结构近年来的研究表明，细胞内由微管、肌动蛋白丝或中间丝交联形成复杂的细胞骨架网络，与其它细胞之间特异或非特异性地相互作用，在传递压力和张力及感知微环境物理作用方面起核心作用。肌动蛋白成核促进因子WHAMM不仅和肌动蛋白结合也和微管及细胞膜结合；微管的延伸促进GTPaseRac1活化，促进片状伪足样突起中肌动蛋白的聚合。对细胞内应力或外应力以及波形运动提供3了一种途径。目前，对细胞骨架的研究仍是通过对单个聚合物的认识而了解它们在整个细胞动力学方面的作用。在体外重组纯化的细胞骨架纤维研究中发现，肌动蛋白丝网络可形成各种各样的结构，其可塑性可能来源于两个方面：熵变和焓变，熵变由满足纤维摇动所需热能引起构造的缩小导致的，比如当它们被拉伸时；焓变由构成纤维分子间距变化导致的，比如当它们被弯曲的时候，即使没有发生热能变化。网络的结构可能是引起这两种弹性变化的重要因素。近年来的研究证明纤维的熵变在网络机械性质中具有重要作用，当外力作用于肌动蛋白丝网络以及中间丝或细胞外基质纤维(如鞭毛和纤毛)时，网络结构由于纤维相互缠结以及各个纤维的熵变而变得更坚固并抵制进一步变形。当向任意组装的肌动蛋白纤维中添加一种稳固的交联剂，同时施加外力，发现弹性系数等级显著增加，并且，由于单个纤维的熵变，在力的作用下网络结构保持坚固驯。当向任意组装的肌动蛋白纤维中添加这种更灵活的交联剂细丝蛋白A及分子马达肌球蛋白时，网络强度增加到超过相互缠结的纤维网络的强度，并且强度是非线性增加的。在高度组装的网络结构中，肌动蛋白丝的弯曲而非熵变拉伸，与网络的弹性作用相关。当给予树突状的肌动蛋白纤维网络(如在运动的细胞中占主要优势生长的肌动蛋白纤维网络)一定压力时，网络强度显示非线性的增加，在高压力下又会减弱，这种行为是可逆的，表明承载压力的纤维可能是网络弹性的重要特性。尽管纤维的弯曲和拉伸已成为许多肌动蛋白丝网络研究的焦点，交联网络的机械性质也必须依赖于交联剂本身的特性。在对交联剂长度的研究中发现，肌动蛋白结合位点的间距变化严重影响弹性系数和网络结构。总之，纤维拉伸和弯曲的高度非线性行为以及交联蛋白和对成核促进因子的研究表明，网络结构决定细胞骨架的功能。在整个细胞中，肌动蛋白骨架有各种各样的结构，每种结构均和特定的功能相联系，肌动蛋白纤维结构是怎样和其他的细胞系统相连接仍是研究的重要领域。细胞骨架网络在机械负荷下的变形和等离子膜的紧张度变化相关联，如嗜中性粒细胞吞噬抗体包裹的颗粒时（这是一个肌动蛋白驱动的过程)，等离子膜紧张度显著增加。细胞骨架网络结构能分散细胞外压力，微管受到外力时会随着压力增加降低增长率，且完全解聚的可能性增大，一小部分肌动蛋白丝的聚合也受到限制。但对单根纤维模型为基础的研究发现，树突状肌动蛋白丝网络结构的部分纤维在受到外力作用时产生的结果不同，运用原子力显微镜(atomic—force—4microscope)重组树突状肌动蛋白丝网络，当不断增加负荷时树枝状网络以一个恒定的速率生长，表明细胞骨架网络压力感受元件通过局部纤维的结构变化而适应不断增加的负荷。在测量运动细胞片状伪足突起的研究中也观察到这种现。3.细胞机械感受特征与细胞微环境细胞骨架通过细胞间连接或胞外基质接受胞外信号，细胞除对化学信号应答外，对物理信号也产生应答。研究表明，处于紧缩状态的细胞骨架产生的张力可探测细胞外基质的力学特性，胞外物理介质反过来又会影响细胞骨架的组装和细胞行为，但物理作用强度是否是影响细胞最重要的信号仍具有争议。细胞与胞外基质、细胞与细胞间的相互作用是怎样导致细胞的组织形式和细胞行为上的变化，几项研究表明在细胞骨架组装过程中接受物理信号的重要性。例如，Thery等发现在有丝分裂细胞中，纺锤体的取向、分裂板的位置和子细胞的空间分布均受到细胞外基质中蛋白质的空间分布的影响。通过使用显微示踪技术研究胞外基质蛋白的模型发现，细胞按预期方向分裂是受胞外基质与细胞膜接触控制的。除了粘附位点的模型外，细胞本身的物理性质也会影响细胞骨架的组织形式。在外力作用下，细胞的增殖会受到影响。如取自鼠乳腺癌细胞的一个肿瘤球在琼脂糖凝胶中成簇生长时，结果发现在有压力条件下细胞增殖缓慢，而在给于高压时细胞会发生凋亡。Discher等研究表明细胞通过细胞骨架响应机械信号，在对培养细胞研究中，培养基的物理环境对干细胞的正常分化有重要影响，在间充质干细胞(mesenehymalstemcel1)和神经细胞的培养中，培养基的物理环境可能存在信号功能，指导干细胞向特定的世系分化。在一定强度的培养基上培养细胞的传统方法可能改变细胞的动力学性质和基因表达机制。间充质干细胞在培养基一定强度下分化成各种世系的细胞，通过抑制非肌球蛋白的活性，这种特异性世系分化性能就会被阻断嘲。在不同的培养基上，细胞生长与所在组织的物理环境不同而变化，细胞骨架性质和组织形式也存在着变化。如中心粘附点和粘附的连接点在感应压力下会发生变化，目前已有几个机械信号的特异介质分子被鉴别出。细胞骨架的结构及它构建的过程能够记录机械的相互作用，而单根纤维却不能。如果和外在环境的机械相互作用能持续地改变细胞骨架，可能会使细胞的行为发生变化。尽管细胞感知外环境机械作用发生应答反应由基因决定，但对于细胞对微环境相互作用的信息是怎样被贮存的现知之甚少，细胞骨架组装和重组装是否对细胞的动力学特征保持记忆。受机械力不断作用的细胞基因表达是否可遗传，目前尚处于研究中。4.展望5在现有的实验技术条件下，可从高分辨率的分子结构图像分析到直接对细胞的结构和过程进行动力学控制，要探究将细胞动力学和细胞骨架与细胞功能联系起来的机制和分子需要新的模型。而电脑模拟技术作为一种探测多层次有序系统的方式正变得越来越重要，通过机械刺激的输入到表型的输出来追踪细胞行为和功能的变化，将是未来研究的热点。利用纯化的蛋白在体外重组细胞骨架实验，模拟实验环境更接近于细胞外环境和内环境，利用这一技术还可用于寻找药物分子的受体及候选药物分子，而且能重组出完整的膜蛋白和模拟药物分子代谢过程。