细胞生物学/中间纤维

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细胞骨架与细胞的运动 - 微管 - 微丝 - 中间纤维 - 细胞的运动 - 细胞骨架与疾病
中间纤维(intermediate filaments, IF)广泛存在于真核细胞中,最早在平滑肌细胞内发现,由于其介于肌肉细胞actin细丝与肌球蛋臼粗丝之间而得名“中间”。中间纤维是三类细胞骨架纤维中结构最为复杂的一种。浓盐溶液与非离子性去污剂处理可使细胞内其余大部分的细胞骨架消失,唯独保留中间纤维,可见中间纤维在三类细胞骨架纤维中最为坚韧和持久。

中间纤维的结构和类型[编辑]

中间纤维是丝状蛋白多聚体[编辑]

中间纤维的直径为10nm, 是一种坚韧、耐久的蛋白质纤维。它相对较为稳定,既不受细胞松弛素的影响也不受秋水仙素的影响。
中间纤维的单体(亚基)是蛋白质纤维分子,已经发现50多种,它们都有共同的结构特点:由头部(N端)、中间杆状区和尾部(C端)组成。杆状区为α-螺旋区,内含4段高度保守的α-螺旋段,它们之间被3个短小间隔区隔开。亚基装配时靠α-螺旋配对形成二聚体。在杆状区两侧的N端的头部和C端的尾部通常折叠成球状结构。
虽然α-螺旋区高度保守,但N端的头和C端的尾都是高度可变的,不同类型的中间纤维亚基在头部和尾部的大小和氨基酸组成方面有很大区别,具有不同的组成和化学性质。中间纤维分子质量的大小主要取决于尾部的变化,而结构的关键区域在于杆状区,它们表现出形成多级螺旋所需的分子形式。

中间纤维蛋白的类型和分布较为复杂[编辑]

根据中间纤维氨基酸序列的相似性,可分为六种类型:
根据氨基酸序列,角蛋白可分成两种主要类型:Ⅰ型(酸性)和Ⅱ型(中性/碱性)角蛋白(keratin), 存在于上皮细胞内。Ⅲ型中间纤维蛋白包括多种类型,其中,波形蛋白存在于间充质来源的细胞;结蛋白是肌细胞特有的,在骨骼肌、心肌和平滑肌中表达;胶质原纤维酸性蛋白特异分布于神经胶质细胞;外周蛋白(peripherin)存在于中枢神经系统神经元和外周神经系统感觉神经元中;Ⅳ型神经丝蛋白主要分布在脊椎动物神经元轴突中;Ⅴ型核纤层蛋白存在于内层核膜的核纤层;Ⅵ型巢蛋白分布于神经干细胞。
细胞内中间纤维的成分经常会有变化,例如,在许多上皮来源的细胞开始只有角蛋白,而后出现波形蛋白;胶质细胞开始只有胶质细胞原纤维酸性蛋白,后来出现波形蛋白,但它们是分别排列的,说明中间纤维的种类和成分可随细胞的生长或成熟而改变。

中间纤维的装配和调节[编辑]

与肌动蛋白和微管蛋白单体的球状分子不同,中间纤维蛋白单体分子大多数是长丝状,称丝状蛋白(fibrous protein) , 有氨基末端的头部、狻基末端的尾部和一个中间杆状区域。中间杆状区域由展开的α-螺旋区组成,α-螺旋区含有纵排的重复组件,称为七位复件(heptad repeat), 为具有特色的氨基酸序列。这种七位氨基酸元件,能促进两个平行的中间纤维蛋白单体的α-螺旋杆之间形成卷曲的螺旋(coiled-coil)二聚体。在细胞骨架许多种别的长形蛋白,如tropo肌球蛋白和肌球蛋白分子尾部形成的超螺旋二聚体结构中也含有七位复件。组装的下一步是两个超螺旋二聚体以反向平行相连,形成四聚体(tetramer)亚单位。细胞内存在少量可溶性四聚体,说明它们是中间纤维组装的基础亚单位。二聚体的反向平行排列说明四聚体以及由其形成的高级结构中间纤维都是非极化结构,也就是说在纤维两端是相同的,在沿着纤维长轴上具有对称性。这一特点使中间纤维显然不同于有极性的、功能依赖于极性的微管及肌动蛋白微丝。中间纤维组装的最后步骤仍不甚清楚,可能是由四聚体以简单结合反应加到伸长中的中间纤维上;结合反应沿中间纤维长轴排列,按螺旋形式包裹在一起。各种中间纤维蛋白,其分子的中间杆状区的结构是高度保守的,它们在组装中调节纤维之间侧位的相互作用;而中间纤维分子的球状头部与尾部结构区的大小与氨基酸序列有较大差别,但不影响纤维的主轴结构。头部或尾部往往从纤维的表面突出,可以调节中间纤维与其他成分之间的相互作用。这一结构类型意味着中间纤维可以由广泛分子量的蛋白质(从约1O 000到200 000)形成。在多数情况下,细胞内几乎全部的中间纤维蛋白分子呈完全聚合态,只有很少的游离性四聚体。尽管如此,细胞仍旧能够调节其中间纤维的组装,并且决定其数噩、长度和位置。
中间纤维装配的调控机制与其蛋白氨基末端头部结构域内特殊氨基酸如丝氨酸残基的磷酸化相关。目前认为,中间纤维蛋白丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化作用是中间纤维动态调节最常见最有效的调节方式。最显著的例子是在有丝分裂时,形成核纤层的蛋白亚单位磷酸化,使核纤层完全解体;当分裂完成时,特殊丝氨酸去磷酸化,核纤层再形成。胞质内的中间纤维在细胞分裂时,或对某些细胞外信号进行应答时,也可以进行彻底的重组装。虽然上述改变一般是由亚单位磷酸化的增强,其他因素也可能起到辅助调节作用。

中间纤维的功能[编辑]

中间纤维在胞质中形成精细发达的纤维网络,外与细胞膜及细胞外基质相连,中间与微管、微丝和细胞器相连,内与细胞核内的核纤层相连,因此,中间纤维也具有多种功能,而且中间纤维发挥功能具有时空特异性。

中间纤维在细胞内形成一个完整的网状骨架系统[编辑]

中间纤维外与质膜和细胞外基质有直接的联系,内与核膜、核基质联系,贯穿整个细胞起着广泛的骨架功能。该骨架具有一定的可塑性,对维持细胞质的整体结构和功能的完整性有重要作用。因此中间纤维在细胞内外起着多方面结构的构成与功能联系的作用,特别与细胞核的定位和固定有关。

中间纤维为细胞提供机械强度支持[编辑]

中间纤维在那些容易受到机械应力的细胞质中特别丰富。体外实验证实,中间纤维比微管和微丝更耐受剪切力,在受到较大的剪切力时产生机械应力而不易断裂,在维持细胞机械强度方面有重要作用。

中间纤维参与细胞连接[编辑]

一些器官和皮肤的上皮细胞通过桥粒和半桥粒连接在一起。桥粒介导细胞与细胞之间的黏附,半桥粒介导细胞与细胞外基质之间的黏附。中间纤维参与黏若连接中的桥粒连接和半桥粒连接,在这些连接中,中间纤维在细胞中形成一个网络,既能维持细胞形态,又能提供支持力。

中间纤维参与细胞内信息传递及物质运输[编辑]

由于中间纤维外连质膜和胞外基质,内穿到达核骨架,因此形成一个跨膜的信息通道。中间纤维蛋白在体外与单链DNA有高度亲和性,中间纤维有明显的在核外周聚集的特点,可能与DNA的复制和转录有关。此外,近年来研究发现中间纤维与mRNA的运输有关,胞质mRNA铀定于中间纤维,可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用。

中间纤维维持细胞核膜稳定[编辑]

在细胞核内膜的下面有一层由核纤层蛋白组成的网络,对于细胞核形态的维持具有重要作用,而核纤层蛋白是中间纤维的一种。组成这种网络结构的核纤层蛋白A和C, 它们交连在一起,然后通过核纤层蛋白B附着到内核膜上,在内核膜上有核纤层蛋白B的受体。此外,中间纤维在胞质溶胶中也组成网络结构,分布在整个细胞中,维持细胞的形态。

中间纤维参与细胞分化[编辑]

微丝和微管在各种细胞中都是相同的,而中间纤维蛋白的表达则具有组织特异性,表明中间纤维与细胞分化可能具有密切的关系。这方面研究主要是在胚胎发育和上皮分化的方面,对其详细了解还有待于进一步研究。