第8章 细胞骨架蛋白.ppt

第八章 细胞骨架蛋白 一、蛋白质与中间丝的功能 二、肌动蛋白微丝及功能 三、蛋白质与微管系统,细胞骨架蛋白：细胞质中由蛋白丝组成的非膜相 结构统的蛋白质称为细胞骨架蛋白. 细胞骨架系统：微丝、微管和中间丝组成 三个系统分别由许多性质不同的蛋白质所构 成，但它们的三维结构、装配和解聚、以及功能 却有明显的共同之处微管、微丝和波形蛋白表达的免疫细胞化学图 猕猴成纤维细胞的激光扫描共聚焦显微镜图(400×) (A)绿色染微管，红色染细胞核；(B)绿色染微丝，红色染细胞核；(C)绿色染波形蛋白，红色染细胞核广义的细胞骨架还包括 核骨架（nucleoskeleton）、核纤层（nuclear lamina） 细胞外基质（extracellular matrix） 三者形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构构成细胞骨架的主要蛋白质： 肌动蛋白（肌动蛋白相关蛋白） 微管蛋白（微管相关蛋白） 中丝间蛋白（各种中间丝相关蛋白） 本章主要介绍它们的结构特征、控制它们聚合并形成纤丝的条件、纤丝解聚的条件及纤丝聚合与解聚的调控细胞骨架的功能： 维持细胞一定的形状； 参与动物细胞的运动（如巨噬细胞、白细胞通过 阿米巴样的作用在组织中迁移与骨架的聚合 和解聚相关。

细胞分裂、收缩、细胞的纤毛 活动都与细胞骨架有关) 细胞内部成分的转运（如神经轴突的生长，达 500cm或更长细胞分裂时，染色质向细胞的 转移）,Expression of Transgene DsRed in Primary Neuron Cell after 16h Culture , DIV 8, ×40,Glia-immunochemistry pDsRed + Glia pDsRed-Express-N1,结构支持 胞转 收缩运动 空间构成,细胞骨架的主要功能,（来自 G. Karp 2002）,,第一节 概论 一、细胞骨架的概念 二、纤丝系统的功能 三、相关蛋白的功能,一、细胞骨架的概念 当细胞膜被非离子型表面活性剂破坏时，大部分胞质流失，这一部分称胞液（cytosol） 流失胞液的不溶残余部分仍保持细胞外形，因此具有决定细胞形态的作用，故称为细胞骨架（cytoskeleton）细胞质骨架网络系统对于细胞形态构建，细胞 运动，物质运输，能量转换，信息传递，细胞分化 和细胞转化等起着重要的作用。

细胞骨架相关蛋白 肌动蛋白微丝、中间丝、微管呈纤丝样结构，纤丝在纯化时均 有许多蛋白质共同被纯化，这些蛋白质称为相关蛋白（associated proteins） 肌动蛋白 在动植物细胞中含量相当丰富，常常是细胞质的主要蛋白首 先从肌肉中发现，约占肌细胞蛋白质含量的40%，其他类型的细 胞含量较少，一般为1-5mg/ml二、纤丝系统的功能 纤丝的功能有很多共同之处，归纳如下： ①形成网络决定细胞的形状； ②加固细胞成分； ③纤维收缩（反平行纤丝滑行）如肌肉收缩； ④杆体收缩（平行纤丝滑行）,如纤毛和鞭毛活动； ⑤导向转运的轨道，如神经细胞中沿微管转运物质或颗粒； ⑥沿纤丝传导信息三、相关蛋白的功能 相关蛋白通过以下方式控制纤丝聚合： ①与单位（单体）结合,防止单体聚合； ②启动聚合过程； ③当聚合达到一定长度后封闭纤丝的尾端（加帽）； ④通过等量蛋白结合促进纤丝延长； ⑤促进解聚，包括切短； ⑥通过酶学作用修饰聚合体的亚单位； ⑦结合在纤丝的周边而加固纤丝； ⑧将纤丝交联成束或网络； ⑨有时形成纤丝突起，与其他类型纤丝、膜系统相互作用，通过结构间的张力，形成交联桥，产生运动第二节 中 间 丝 一、中间丝的结构 二、组成中间丝的蛋白质及其分类 三、中间丝相关蛋白 四、中间丝的功能,一、中间丝的结构 各种中间丝（IF）结构非常相似，直径10nm,处于微管和微丝之间，故名中间丝（或10nm纤丝）。

培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）（来自http://www.itg.uiuc.edu/）,IF的蛋白质分子量和等电点不同，分成几类： 细胞角蛋白（cytokeratin） 结蛋白（desmin） 波形蛋白（vimentin） 神经丝蛋白（neurofilament protein） 胶质原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein,GFAP） 核纤层蛋白（lamin）等 有些细胞IF很多，如上皮细胞，有的细胞完全没有IF蛋白的分子特征 分子中有一个中间结构域，93%氨基酸可形成α螺旋构型，称为杆状结构域（rod domain），N端有Mr15kD头部，C端为Mr5-10kD尾部 杆状结构域有一组7氨基酸重复序列，它们形成卷曲螺旋（coiled coil），杆状结构域长度比较恒定（约310个氨基酸残基） 两端为非螺旋区，尾部耐受胰凝乳蛋白酶的水解，头部有许多β折叠结构，可被胰凝乳蛋白酶水解中间丝的结构 中间丝结构装配和排列尚有争议二、中间丝的蛋白质及其分类 根据氨基酸序列的相似性，将胞质的IF蛋白分成：角蛋白、同多聚体Ⅲ型IF、神经丝蛋白、核纤层蛋白。

植物与非脊椎动物细胞也有IF，结构基本相似，了解还不充分一）角蛋白（IF多肽Ⅰ型和Ⅱ型的异多聚体） 角蛋白家族是IF蛋白中存在最多的一类 最易观察到的是硬角蛋白，分布在毛发、（趾）甲、角和蹄等，这些组织的形成是由于整个细胞的固化而不是将硬角蛋白分泌到表面 角蛋白或软角蛋白在上皮细胞胞质中达80%角蛋白种类很多，例如皮肤细胞至少30种 角蛋白分子通常形成异多聚体，即由一个Ⅰ型（酸性的）二聚体和一个Ⅱ型（中性/碱性）二聚体组成异四聚体 角蛋白有形成束特性二）同多聚体Ⅲ型IF 在各种非表皮细胞内形成中间丝，它们的氨基酸序列有很高同源性包括以下几种： 1.波形蛋白 2.结蛋白 3.胶质原纤维酸性蛋白（GFAP） 4.外周蛋白（peripherin）,1. 波形蛋白（vimentin） 间质细胞（如成纤维细胞）中的主要结构蛋白，C端尾部特异地结合于细胞核外膜，N端头部结合细胞膜，故在细胞核和细胞膜之间形成联接 波形蛋白有蛋白激酶C和蛋白激酶A磷化位点，通过磷酸化与去磷酸化，细胞可改变不溶解的中间丝网络2. 结蛋白 结蛋白（desmin）是肌肉细胞的主要IF蛋白，在平滑肌中含量特别丰富 在平滑肌细胞中，结蛋白中间丝形成一个相互连接的网络，连接胞质的致密体（dense bodies，相当于横纹肌的Z-盘）和细胞膜的致密体斑块（dense plaques）。

在横纹肌中，结蛋白靠近两个细胞的细胞膜连接 ，也存在于Z-盘3. 胶质原纤维酸性蛋白（GFAP） 形成胶质细胞专一的中间丝，具有支持神经细胞的作用GFAP可作为免疫标记 4.外周蛋白（peripherin） 存在于外周神经系统和某些中枢神经系统的神经细胞它可与Ⅳ型IF多肽共同聚集，但在性质上更类似于结蛋白和波形蛋白三）神经丝蛋白（Ⅳ型IF） 神经细胞的中间丝称为神经丝（neurofilaments, NFs），由神经丝蛋白组成 神经丝蛋白:异多聚体，三种肽链：NF-轻链（NF-L）、NF-中间链（NF-M）和NF-重链（NF-H） 单一的NF-L可聚合成丝状体，但NF-M和NF-H不能聚合；分子有多个磷酸化位点，带多个负电荷 C末端：富含谷氨酸；用蛋白酶处理后，残余的10nm纤丝与其他类型的中间丝差异很小四）核纤层蛋白（Ⅴ型IF） 核膜的内表面有一层网络状纤维蛋 白质，称核纤层（nuclear lamina） 脊椎动物细胞中有三种类型的核纤层蛋白(A,B,C), A和C:是不同的剪接体；B:由另一转录单位编码, 经转录后修饰,在C端添加疏水的异丙基, 以帮助核纤层蛋白B插入到核膜的内脂层。

核纤层蛋白的功能： 1.保持核的形态：是核被膜的支架用高盐溶液、非离子去污剂和核酸酶去除核物质，剩余的核纤层仍能维持核的轮廓使胞质骨架和核骨架形成网络结构 2.参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈周期性变化. 在间期核中：为染色质提供核 周边锚定位点在前期结束时： 核纤肽磷酸化，核膜解体在分 裂末期：核纤肽去磷酸化、重新 组装，介导核膜的重建四、中间丝的功能 功能了解甚少已知主要功能加强细胞韧性、抵抗张力破坏 使细胞器固定于细胞质，如角蛋白K14剔除小鼠线粒体成簇聚集 缺少IF的成纤维细胞，细胞核形态失常第三节 肌动蛋白微丝系统 主要成分是肌动蛋白，肌动蛋白是含量最多的细胞骨架蛋白；物种间氨基酸高度保守，单体聚合成微丝后结构也几乎不变 但是不同单体产生的微丝在稳定性和与其他蛋白质（如肌球蛋白）相互作用方面可能有细微的差别一、肌动蛋白单体结构域 肌动蛋白单体Mr:43kD，由两个结构域组成，两个结构域之间有短的柔性连接肽（ ATP结合部位） 肌动蛋白单体可与其他分子作用，包括：肌球蛋白（myosin）、原肌球蛋白(tropomyosin)、肌动蛋白抑制蛋白（profilin）和肌动蛋白蚕食蛋白（depactin）等。

二、肌动蛋白微丝的聚合 肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子肌动蛋白微丝的聚合过程,肌动蛋白纤维装配过程: 肌动蛋白纤维的装配分： 成核、生长、动态平衡三个连续的过程肌动蛋白单体有极性, 装配呈头尾相接, 故MF有正极与负极 体外实验：MF正极与负极都能生长，正极生长快，负极慢；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 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原子力显微镜(atomic force microscope , AFM)图,在生长、发育的信号调控中具有重要的调控作用.,三、肌动蛋白相关蛋白 肌动蛋白+肌动蛋白相关蛋白（actin-associated proteins, AAP）性质发生改变. 已分离到许多AAP，多数细胞含有10多种APP，它们与肌动蛋白的相互作用通常是竞争性的一）钙结合蛋白 许多肌动蛋白相关蛋白（AAP）与肌动蛋白的结合受Ca2+ 控制，分子中专一的Ca2+结合部位 如小白蛋白（parvalvumin），是一种钙结合蛋白，分子中具有EF手结构，这种结构在钙浓度为10-6mol/L时能与钙结合(胞内外Ca2+ 浓度差别很大)，许多钙结合蛋白都有类似结构。

二）控制聚合的蛋白质 这类蛋白质能够通过加帽（capping）、单体结合（monomer-sequestering）和解聚来控制肌动蛋白的聚合，有以下几类：,1 .加帽蛋白（capping protein） 可选择性阻断F-肌动蛋白微丝的一端.如倒刺端加帽蛋白会造成微丝缩短，而尖端加帽蛋白会造成微丝的延长 这种作用会使细胞骨架重排，对细胞生命活动，特别是那些高运动性细胞有很重要的意义 尖端加帽蛋白:β辅肌动蛋白（β-actinin）,Mr类似肌动蛋白 倒刺端加帽蛋白:简称HAI，Mr约20kD，可能是Mr为150kD-200kD 蛋白质的水解产物肌动蛋白丝两端生长 用加帽蛋白封住负端, 微丝继续快速加长, 但是用加帽蛋白封住正端, F-肌动蛋白加长的速率非常慢表面正端是生长端2 .F-肌动蛋白切割蛋白 为钙结合蛋白，但不具有EF手结构，所以不属于钙调蛋白类 常见有胶溶蛋白（gelsolin），该蛋白既具有倒刺端加帽蛋白活性，又具有钙激活的微丝切割活性 存在于细胞中，也可分泌入血液（有一段分泌前导肽）血中胶溶蛋白具有去除因细胞死亡而释放入血的F-肌动蛋白的功能肠绒毛蛋白（villin）Ca2+影响下也有切割活性。

片段化蛋白（fragmin）参与调节肌动蛋白的切割 肌割蛋白（severin）均有加帽和切割活性 胶溶蛋白及相关切割蛋白也有肌。