2016 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 Email:zhangshufang@zju.edu.cn Website: http://mypage.zju.edu.cn/zhangshufang 1
主要内容 细胞运动的形式 细胞运动的机制与调控 鞭毛纤毛 细胞分裂 肌肉收缩 细胞迁移 细胞运动的调节 细胞运动的分析与测试方法 细胞运动的病理 肿瘤侵袭
细胞骨架的功能 微管 microtubule 微丝 microfilament 中间丝 IF 支架作用, 维持细胞的形态 ; 参与细胞内物质运输 ; 形成纺锤体, 参与染色体的运动, 调节细胞分裂 ; 构成纤毛 鞭毛和中心粒等细胞运动器官, 参与细胞运动 维持细胞形态 微绒毛 (microvilli) 肌动蛋白纤维 (actin fiber) 应力纤维 (stress fiber) 参与细胞运动 参与细胞分裂 中间丝具有支持作用 中间丝在细胞内的运输作用 中间丝的信息传递作用 在相邻细胞 细胞与基膜之间形成连接结构 细胞骨架与细胞运动密切相关!
细胞骨架与细胞运动 Three ways to use the cytoskeleton for movement Cytoskeleton roadway and motor protein carriers Reorganization of the cytoskeletal network Motor proteins pull on the cytoskeletal rope
Cell motility is one of the crowning achievements of evolution 原始细胞不具备主动运动的能力, 体内物质代谢也靠简单扩散作用进行 运动能力的获得使细胞可以主动寻找更适合生长的环境, 体内物质运输也能更为有序的进行
细胞运动的形式 位置移动 形态改变 细胞 运动 胞内运动
细胞运动的形式 一 位置移动 : 局部 近距离 / 整体 远距离 鞭毛 纤毛摆动 : 精子 输卵管上皮 阿米巴运动 : 巨噬细胞 褶皱运动 : 体外培养的成纤维细胞
纤毛运动 鞭毛运动
阿米巴样运动 褶皱运动
细胞运动的速度可相差 4 个数量级 每个细胞的运动速度和机制都符合 : Developmental programs The cell s unique energy requirements The way the cell acquires nutrients 细胞迁移或运动的方向是非随机性的... 细胞运动的尺度
-taxis 细胞运动受环境因素影响 Attracting 或 repelling 因素 环境信号种类 : Chemotaxis - soluble factor (molecule or protein) Haptotaxis - same as chemotaxis, but the signal is immobilize on a surface Durotaxis - rigidity of the cell s substrate
1. 接收信号 2. 传递信号 3. 细胞反应 朝向或远离信号的细胞运动
细胞运动的形式 二 形态变化 : 即便位置相对固定, 细胞也可通过骨架的动态变化引起自身形状的改变 肌肉收缩 细胞分裂 顶体反应
肌肉收缩 细胞分裂
三 胞内运动 胞质流动 (cytoplasmic streaming): 对于细胞的营养代谢具有重要作用, 能够不断地分配各种营养物和代谢物, 使它们在细胞内均匀分布 该过程由肌动蛋白和肌球蛋白相互作用而引起 膜泡运输 : 内膜系统以细胞骨架作为轨道通过小泡进行蛋白质运输 轴突运输 色素颗粒的运输 染色体分离 细胞运动的形式
皮肤颜色的改变 色素颗粒的运输
轴突运输
微管与细胞运动
Muscle contraction 微丝与细胞运动
细胞运动的机制与调控
细胞运动机制 马达蛋白 (motor protein) 水解 ATP 获得能量, 沿着微管或微丝移动 由于微管蛋白或肌动蛋白聚合 组装成束状或网络引起细胞运动 两者皆有
一马达蛋白 (motor protein) 与微丝有关的马达蛋白 : 肌球蛋白 (myosin)
肌球蛋白 Myosin 肌球蛋白 Myosin 是一种 ATPase 将 ATP 的化学能转换成机械能 17 种 myosin 结构相似头部, 尾部, 颈部
肌球蛋白沿着微丝移动 肌球蛋白 Myosin Analogous to pulling yourself along a rope 微丝 : 绳子 肌球蛋白 : 你的手臂
一马达蛋白 (motor protein) 动力蛋白沿着微管 (-) 移动 驱动蛋白沿着微管进行膜泡的运输驱动蛋白沿着微管 (+) 移动 与微管有关的马达蛋白 : 驱动蛋白 (kinesin) 和动力蛋白 (dynein)
二 马达蛋白介导细胞运动的机制 以肌球蛋白 (myosin II) 为例 : 肌球蛋白的头部随着 ATP 的结合和水解不断产生构型的变化, 从而引起在微丝上的移动
运动机制 : 水解一分子 ATP 引 发肌球蛋白的一 个运动周期 QUICK
二 马达蛋白介导细胞运动的机制 在初始状态下, 肌球蛋白与肌动蛋白紧密结合, 此时 ATP 位点是空的 当结合 ATP 后, 肌球蛋白头部的肌动蛋白结合位点开放, 头部从肌球蛋白丝解离 ATP 水解成 ADP 和 Pi,ATP 结合位点关闭, 引起肌球蛋白头部变构弯曲 变构的肌球蛋白头部结合到新的肌动蛋白亚基上, 这时结合不牢固, 随后 Pi 从 ATP 结合位点释放出来, 结合变得十分牢固, 随后肌球蛋白头部的构象恢复, 带动颈部和尾部朝向肌动蛋白丝的 + 端移动 ADP 释放, 肌球蛋白恢复初始状态
三 纤毛和鞭毛的运动机制
纤毛和鞭毛的运动机制 1 二联管间滑动 接触 : 马达蛋白臂头部携带上一次 ATP 水解产物 ADP+Pi 与相邻二联管的 B 管接触 做功 : 马达蛋白臂头部释放 ADP+Pi, 引起头部与二联管间角度改变, 同时推动相邻二联管滑动 分离 : 马达蛋白臂头部与新的 ATP 结合, 引起头部与 B 管的分离 复原 :ATP 水解为 ADP+Pi, 马达蛋白臂角度复原 然后再与相邻二联管 B 管上另一位点结合, 开始又一作功过程 马达蛋白臂这种随着 ATP 水解而发生的角度变化, 将化学能转变成机械能, 推动二联管间的滑动
纤毛和鞭毛的运动机制 2. 弯曲运动 连接丝 辐条 中央单管及中央鞘将滑动转换成弯曲运动 鞭毛和纤毛中 9 组二联管被连接丝捆成一体, 由于连接丝具有很强的弹性, 易于弯曲的发生, 又能限制二联管间的过度滑动, 保持 9 组二联管为一体 鞭毛和纤毛运动所需要的 ATP, 是靠分布在其基体附近的线粒体提供的
纤毛和鞭毛的运动机制
四 染色体分离 有丝分裂器 有丝分裂器的组装 染色体分离 胞质分裂
星射线
染色体分离
胞质分裂 微丝形成收缩环
五 肌肉收缩 骨骼肌的主要成份是肌原纤维 肌原纤维上整齐排列着许多明暗相间的带 粗肌丝 : 肌球蛋白 细肌丝 : 肌动蛋白 原肌球蛋白 肌钙蛋白
肌肉收缩 肌细胞的收缩机制可用滑动丝模型 (sliding filament model) 来解释 1954 年由 Huxley 提出, 认为肌细胞收缩是由于粗肌丝与细肌丝之间相互滑动的结果 粗肌丝可伸出横桥与邻近的细肌丝连接 在肌细胞收缩时, 横桥可推动肌动蛋白丝 ( 细丝 ) 和肌球蛋白丝 ( 粗丝 ) 的滑行
Ca2+ 与肌钙蛋白结合肌钙蛋白的构型改变 原肌球蛋白位移, 暴露细肌丝上的结合位点 肌丝滑行 横桥与结合位点结合分解 ATP 释放能量 横桥摆动 牵拉细肌丝朝肌节中央滑行 肌节缩短引起肌细胞收缩 肌肉收缩受钙离子调节
肌肉收缩
两个过程 化学 Chemical 肌球蛋白与微丝结合形成横桥 (Crossbridge) 结构 Structural Myosin bends (Power stroke) Cross-bridge cycle Formation of crossbridge, power stroke, and release 需要结合与释放 ATP 滑动模型
微丝滑动观察实验 Figure 18-22, Lodish 4th edition. The sliding-filament assay
六 成纤维细胞的运动
Slender, spiky membrane protrusion Typical for slow moving cells A membrane protrusion that did not form focal adhesions Projects upward 皱褶 Membrane ruffle 线状伪足 Filopodia 片状伪足 Lamellipodium Large, broad membrane protrusion Typical for fast moving cells
细胞运动的调节 G 蛋白 :Rac Rho 理化分子 : 引起细胞的趋化作用 Ca 2+ 浓度梯度 : 细胞出现趋化作用时胞内 Ca 2+ 浓度分布也发生改变 影响细胞骨架药物 : 细胞松弛素阻止微丝聚合, 鬼笔环肽抑制微丝解聚 ; 秋水仙素阻止微管聚合, 长春新碱破坏已形成的微管, 紫杉酚抑制微管解聚
Rho GTPases GTPases are molecular switches ( 分子开关 ) within cells, which control the formation and disassembly of actin cytoskeletal structures (STRESS FIBRES, LAMELLIPODIA and filopodia). It functions to provide the molecular framework that supports directed cell motility.
The Rho GTPases cycle Manneville SE and Hall A. Nature 2002
GDPase regulate cytoskeletal changes Manneville SE and Hall A. Nature 2002
细胞的趋化作用
药物对细胞运动的调节 秋水仙素, 长春新碱可抑制微管聚合 ; 紫杉酚抑制微管解聚 细胞松驰素抑制微丝聚合 ; 鬼笔环肽使纤维稳定
细胞运动的重要性 伤口愈合 :Vascular endothelial cells in the epidermis, and fibroblasts in the surrounding connective tissue close and remodel wounds. 胚胎发生 宿主防御感染 肿瘤发生与转移
细胞运动的测试方法 Wound healing assay Time-lapse video microscopy Transwell assay
细胞运动病理
原发性纤毛运动障碍 (PCD)/ 纤毛不动症 (Kertagener) 动力蛋白臂缺乏 纤毛运动异常
Uncontrolled cell movement: 肿瘤转移 (Cancer Metastasis )
肿瘤转移 Epithelial mesenchymal transition (EMT) Invasion Anoikis Angiogenesis Transport through vessels Outgrowth of secondary tumours
www.hindawi.com
Epithelial Mesenchymal Transition (EMT) From Wikipedia
EMT www.karger.com
Polarized actin cytoskeleton Non-polarized actin cytoskeleton cwp.embo.org
Invasion and Cell Migration Lee JM JCB 2006 172 (7): 973-981.