细胞生物学/细胞的运动

维基教科书,自由的教学读本
跳到导航 跳到搜索

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
单个细胞的移动方式有多种,极少数细胞通过纤毛和鞭毛进行运动,如纤毛虫借助纤毛进行移动和摄取食物,精子依靠鞭毛的摆动在液体中游动。但绝大多数动 物细胞是通过爬行的方式在细胞外基质或固体表面上运动。例如,在胚胎发育过程中,动物体结构的形成是由胚胎细胞向特定靶部位的迁移和上皮层细胞的协同运动来共同完成,最典型的例子是神经崝细胞在整个胚胎发育过程中从神经管长距离迁移到各部位,形成不同类型的细胞;巨噬细胞和白细胞从血液循环中运动到炎症部位,吞噬并消灭微生物;同样成纤维细胞在结缔组织中的迁移有助于创伤组织的修复和重塑;在许多肿瘤细胞中,癌细胞的运动会导致原发肿瘤向周圃组织的侵袭及通过血管或淋巴管引起机体其他部位的转移。

微管与细胞运动[编辑]

一些细胞通过纤毛和鞭毛进行运动,如精子靠鞭毛的摆动进行游动,动物呼吸管道上皮细胞靠纤毛的规律摆动向气管外转运痰液。每根纤毛都以一种猛烈抽打的方式来运动。鞭毛通常要比纤毛长,它是用来推动整个细胞的,不做抽打运动,沿着长度方向传播规律性的波动,类似正弦曲线传播运动波,从而推动细胞在液体中穿行。
纤毛和鞭毛的运动是一种简单的弯曲运动,其运动机制一般用微管滑动模型解释:①动力蛋白头部与相邻微管的B微管接触,促进与动力蛋白结合的ATP水解,并释放ADP和Pi, 改变了A微管动力蛋白头部的构象,促进头部朝向相邻二联管的正极滑动,使相邻二联管之间产生弯曲力;②新的ATP结合,促使动力蛋白头部与相邻B 管脱离;③ATP水解,其放出的能量使动力蛋白头部的角度复原;④带有水解产物的动力蛋白头部与相邻二联管上的另一个位点结合,开始下一个循环。

微丝与细胞运动[编辑]

细胞运动是一个高度协同的复杂过程,细胞主要依赖于肌动蛋白和微丝结合蛋白的相互作用进行移动。这种运动可以分为三个过程:①细胞在它的前端或前沿伸出突起,也叫伪足;②这些突起附着在其爬行的表面上;③细胞的其余部分通过锚着点上的牵引力将自己向前拉。
所有这三个过程都涉及肌动蛋白丝,但是其方式不同。
第一步通过肌动蛋白聚合使细胞表面形成突起。成纤维细胞在爬行过程中,其前缘规律性地伸出薄薄的片状伪足,片状伪足中含有致密的肌动蛋白丝网络,大部分纤维的正端接近细胞质膜。很多细胞也会伸出纤细而坚挺的突起,称为丝状伪足,它们不仅分布在细胞的前缘,而且也分布在细胞表面的其他部分。丝状伪足宽0.1μm,长5~10μm, 由10~20根松散的肌动蛋白丝纤维束组成,同样正端朝向质膜。发育中神经细胞的生长锥甚至可以长出50μm长的丝状伪足,它可以帮助细胞探索周围环境,发现到达目标的正确途径。丝状伪足和片状伪足都是试探性的可移动结构,其形成和回缩的速度都极快。肌动蛋白丝在质膜下聚合生长驱使细胞质膜向外突出,形成丝状伪足或片状伪足。
肌动蛋白丝在细胞前缘的形成和生长是由微丝结合蛋白所介导的,它有助于肌动蛋白在质膜下成核。一组称为ARP 2/3(actin-related proteins 2/3)复合物的微丝结合蛋白促进分枝状肌动蛋白丝的形成。ARP 2/3复合物在生长的肌动蛋白纤维的负端形成一个核心,肌动蛋白纤维由此向正端快速生长。这些蛋白形成一个复合体并以70°角结合在原有的肌动蛋白纤维上,促进成核并形成新的肌动蛋白纤维,这样就可使单独的纤维形成树枝状的网络。在其他微丝结合蛋白的帮助下,这个网络在前端聚合,在后端解聚,推动片状伪足向前移动。
笫二步当片状伪足或丝状伪足接触到适当的表面时,它们就黏附在上面,这时称为整联蛋白的穿膜蛋白就与胞外基质中的分子或与另一细胞表面上的分子结合,这个运动着的细胞就在基质或另一个细胞上面爬行。同时,在爬行细胞膜的内表面整合蛋白紧紧抓住肌动蛋白丝,从而为爬行细胞内部的肌动蛋白丝系统提供了一个牢固的锚着点。
第三步,细胞通过内部的收缩产生拉力,利用锚着点将胞体向前拉动。该过程依赖于肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用。但目前尚不清楚这种拉力是如何产生的,是通过收缩胞质中的肌动蛋白丝束呢?还是通过收缩细胞皮层中的肌动蛋白丝网,或是两者兼而有之呢?有待于进一步研究。

细胞运动的调节机制[编辑]

细胞外信号可以引起细胞骨架的重排[编辑]

细胞外信号可以调节微丝结合蛋白的活性,使细胞可以通过细胞骨架的重排对外界环境做出应答。许多镶嵌在质膜中的受体蛋白的活化可以引发细胞骨架的重排。所有这些信号均由一类称为RhoGTP酶的家族所介导。该家族的成员主要是:Cdc42、Rae和Rho。这类蛋白可以在活性的GTP结合状态和非活性的GDP结合状态之间不断转换,从而控制细胞骨架重排。Rho家族不同成员的激活可通过不同方式影响肌动蛋白丝的排列方式。例如,GTP结合蛋白Cdc42的活化可以导致肌动蛋白的聚合,从而形成丝状伪足;GTP结合蛋白Rae的活化促进片状伪足和膜褶皱的形成;活化的Rho既可以启动肌动蛋白纤维通过肌球蛋白纤维成束形成应力纤维,又可通过蛋白质的结合形成点状接触。
这些复杂结构的显著变化是由于这些RhoGTP酶分子与不同的靶蛋白相互作用的结果,包括控制肌动蛋白结构和动力学的蛋白激酶及其辅助蛋白。下面简单介绍引起细胞表面突起形成、细胞黏附及细胞胞体迁移的信号转导机制。

  1. 肌动蛋白聚合使细胞表面形成突起 WASP(Wiskott-Aldrich syndrome protein)是调节细胞运动的关键分子,也是Rae和Cdc42下游的重要效应分子,Rae和Cdc42通过活化WASP家族成员诱导伪足的形成和基质的降解。ARP2/3复合物和肌动蛋白单体通过与活化的WASP家族羧基端结构域相结合,促进肌动蛋白成核。此外,Rae和Cdc42通过活化p21活化激酶(p2l-activated kinase, PAK),磷酸化filamin, 促进肌动蛋白网络形成;同时,活化的PAK还可激活LIMK, 磷酸化cofilin使其失活而抑制肌动蛋白的解聚,稳定肌动蛋白细胞骨架。微丝组装的成核过程还衙要formin的参与。
  2. 细胞的黏附 迁移的细胞头部与细胞外基质(ECM)的黏附和尾部去黏附的不断交替使得细胞向前迁移。细胞表面的整联蛋白受体与ECM中特异的配体结合,通过整联蛋白聚集成簇而形成黏着斑复合体,而整联蛋白受体的胞内区与桩蛋白(paxillin) , 纽蛋白(vinculin)和踝蛋白(talin)等多种肌动蛋白结合蛋白相互作用形成分子桥,并与细胞骨架相连,提供细胞迁移的锚着位点。活化的Rael和Cdc42,通过激活PAK1磷酸化下游的黏着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK), 活化的FAK作为分子支架招募胞质内桩蛋白,纽蛋白和踝蛋白等,促进黏着斑复合体的形成。
  3. 细胞胞体前移 RhoA激活Rho-激酶(ROCK), ROCK活化后通过抑制肌球蛋白轻链磷酸酶(myosin light chain phosphatase, MLCP)活性从而增强肌球蛋白轻链磷酸化水平,导致细胞收缩能力增强。Cdc42的作用与之类似。另一方面,Rae会激活PAK1, 活化的PAK1通过磷酸化肌球蛋白轻链激酶(myosin light chain kinase, MLCK)使之失活来降低肌球蛋白轻链的磷酸化水平,使细胞收缩力减弱运动受阻。但是PAK1也能直接磷酸化肌球蛋白轻链,增加细胞收缩力。究竟是哪种作用占优势,取决于PAK1的空间分布和它的活性。

细胞外信号可以指导细胞运动的方向[编辑]

细胞运动需要在特定方向上进行极化。组织中有导向的细胞分裂以及连续、有组织性的多细胞结构的形成都需要对细胞极化过程进行精密调控。通过对酵母、果蝇和蠕虫,以及脊椎动物的研究表明,细胞骨架在细胞极化过程中具有主导作用,触发极化的许多分子在进化上是保守的。
物理性或化学性的外界环境改变能够引起细胞的极化并产生运动。趋化(chemotaxis)是指在可扩散化学因子的调控下,细胞向某个方向的运动。研究最多的例子是中性粒细胞向细菌感染部位的趋化运动。中性粒细胞表面的受体蛋白可以监测到来源于细菌蛋白的浓度极低的N-甲酰化肽(只有原核细胞从甲酰甲硫氨酸开始进行蛋白质合成)。这些受体甚至可以监测出细胞两侧这些可扩散肽1%的浓度差异,从而引导中性粒细胞向细菌靶点移动。与它相似的例子是阿米巴向cAMP移动,当受体与配体相结合时,受体附近的肌动蛋白被激活,并在局部发生聚合反应。肌动蛋白的聚合反应依赖于单体Rho家族GTP酶。在酵母中,应答细胞向着信号方向伸出突起,细胞向一侧伸出突起间接地引发了细胞中“牵引机器” 的再定位,由此细胞一路“嗅”着向发出信号的部位移动。
吸附在细胞外基质或细胞表面的非扩散性化学因子也可以影响细胞移动的方向。受体被信号所激活后,除了可引起方向性的肌动蛋白聚合,还可导致细胞黏附增强。大多数动物细胞的长距离迁移,包括神经嵴细胞和神经生长索,依赖于可扩散的和非扩散性的信号因子的协同作用来决定细胞运动的方向。