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第13章细胞迁移 一 细胞迁移的过程二 微丝骨架在细胞迁移中的作用三 整合素介导的黏附结构的装配和解聚四 Rho家族小GTP酶的调节作用五 微管骨架在细胞迁移中的功能六 细胞迁移参与的生理活动及相关疾病 主要内容 细胞迁移 概念 细胞在胞外信号的激活和引导下 通过一系列黏附与去黏附过程而在支持物上产生的整体位移 细胞迁移 迁移方式分类 1 依据细胞迁移的支撑物的几何性质的不同可分为三类 一维 线状支撑物上 二维 培养皿上 三维 胞外基质构成的凝胶层上 2 依据迁移方向可分为两类 无规律的自由迁移 散在培养的细胞 和定向迁移 胚胎 组织发生和免疫系统中 13 1细胞迁移的基本过程 一 细胞迁移的步骤 伪足向前伸展 伸出的伪足黏附胞外基质 细胞体迁移 细胞后缘缩回 细胞迁移 二 伪足的形成 伪足 丝状伪足 探测周围环境信号 片状伪足 推动细胞前缘向前运动 13 2微丝骨架在细胞迁移中的作用 一 微丝的装配与解聚微丝 也称为纤维状肌动蛋白 F actin 是由球状肌动蛋白 G actin 单体聚合而成的纤维状结构 G actin是一种ATP酶 结构具有极性 它们聚合而成的微丝同样具有极性 因此 微丝的两端根据末端单体肌动蛋白暴露出的形状分别称为倒刺端 正端 和尖端 负端 微丝的聚合和解聚是动态的过程 当一根微丝上倒刺端的聚合与尖端的解聚速率相等时 这根微丝的长度不变 即所谓的 稳定期 这一现象称为踏车行为 肌动蛋白单体和微丝的结构图 微丝的装配 第一步 成核反应原料 2 3个肌动蛋白单体组成的寡聚体 肌动蛋白相关蛋白Arp2 3复合物第二步 纤维延长原料 肌动蛋白单体 ATP由于微丝两端在结构上的差异 新的肌动蛋白亚基一般在倒刺端加入 而很少在负极端加入 微丝装配中ATP的作用 当ATP actin浓度高时 微丝加快生长 在微丝末端形成一连串的ATP actin 称为ATP帽 当ATP actin浓度下降时 微丝结合的ATP转为ADP 当ADP actin暴露出来后 微丝去组装变短 微丝装配中ATP的作用 当ATP actin处于临界浓度时 ATP actin可能继续在 端添加 而在 端开始分离 表现出踏车现象 踏车行为 微丝的动态性 伪足中的微丝 片状伪足与丝状伪足的形成有赖于微丝 弹性布朗棘轮模型 应力纤维与收缩力 应力纤维 也称张力丝 由大量平行和反平行排列的微丝构成的束状结构 两端与整合素介导的黏附结构 黏着斑紧密结合 是胞体前移和尾部回缩所需的牵引力和收缩力的主要提供者 而其中的肌球蛋白家族是收缩力的来源所在 肌球蛋白家族 依赖于微丝的肌球蛋白是一类分子马达 利用水解ATP产生的能量有规则的沿微丝骨架运输所携带的 货物 在细胞迁移过程中 型肌球蛋白在应力纤维中提供收缩力 型肌球蛋白与细胞和胞外基质的黏附有关 肌球蛋白家族 肌球蛋白结构域 马达区 具有ATP结合位点和肌动蛋白结合位点 调控区 决定肌球蛋白的亚型 尾部区 促进肌球蛋白自身寡聚化 肌球蛋白可以被肌球蛋白轻链激酶 MLCK 激活或被肌球蛋白轻链磷酸酯酶 MLCP 抑制 13 3整合素介导的黏附结构的装配和解聚 细胞与胞外基质的黏附主要依赖于整合素这个跨膜蛋白质家族所介导的黏着复合物 黏着斑等黏着结构 这些结构不仅能为微丝产生产生的力提供支撑点 还是细胞对机械力的一种感受器 黏附结构 新生黏着位点 黏着复合物 黏着斑 黏附结构的动态性 新生黏着位点的建立 黏着复合物的形成 黏着斑的产生 黏附结构的组成 胞内的黏着分子 如距蛋白 Paxillin 黏着斑激酶 FAK Vinculin Zyxin等 会结合或被招募到黏附结构中整合素的胞内结构域上 形成复杂而且巨大的蛋白质复合物 并最终与微丝骨架相连 Paxillin和Tali可以直接结合整合素的胞内区 因此在最早期的黏附结构中就可能会出现 FAK和Vinculin都能结合Paxillin FAK出现在黏着复合物和黏着斑中 而Zyxin则主要出现在黏着斑中 并在细胞受到周期性牵张力作用时可转位到应力纤维上 黏着复合物和黏着斑都能够完全解聚 解聚所得的蛋白质分子会被再次投入使用 这个过程被称为 周转 13 4Rho家族小GTP酶的调节作用 一 Rho家族小GTP酶的活性调节 小GTP酶具有信号传导开关的作用 当结合GTP GDP时 会分别处于激活 失活状态 从而传递或关闭信号 GEF 鸟嘌呤核苷酸交换因子GAP GTP酶激活蛋白GDI 尿苷酸解离抑制因子 Rho Rac Cdc42在细胞迁移中的作用 二 Cdc42与细胞极性 极性是指细胞结构和形态在特定条件下表现出的方向性 微丝骨架 前缘拖尾缘 分枝状微丝组成的伪足拱状微丝束部分应力纤维组成的片层应力纤维为主的细胞中后部 微管组织中心 在培养的上皮细胞 成纤维细胞 星形胶质细胞等类型的细胞中 微管组织中心 MTOC 会定位于细胞核与前缘之间 由于高尔基体等内膜细胞器主要富集在MTOC周围 因而它们的分布也发生了极性化 细胞极性的建立 胞外信号 GEF GAP Cdc42 Par6 PKC GSK3 APC复合物 MTOC极性建立 三 Rac与片状伪足 Rac亚家族主要在细胞前端被活化并发挥作用 其代表成员为Rac1 Rac主要调控分枝状微丝的聚合 因而面对片状伪足的形成和功能有关键作用 在细胞中过量表达激活的Rac1 会诱导伪足在细胞周边大量形成 这些细胞尽管伪足发达 但没有前 后极性 内部力量互相抵消 因此缺乏迁移能力 片状伪足的形成 Rac WAVE复合物WAVE Scar Abi Nap125 Sra1 HSPC300 Arp2 3 四 Rho与黏着斑和应力纤维 Rho亚家族以RhoA为代表 Rho通常被认为在细胞后端发挥作用 其主要功能包括黏着斑动态性和应力纤维收缩力的调节 但是 也有报道发现RhoA在前端有激活 在细胞中过量表达激活形式的RhoA可导致大量粗壮的应力纤维和黏着斑的形成 RhoA信号调节 Rho GEF Rho GTP ROCK MLCK MLCP mDia1 LIMK cofilin 调节束状微丝的形成 调节肌球蛋白的收缩力 调节肌动纤维的稳定性 五 Rho家族在细胞迁移中的协同作用 Cdc42 Rac1 RhoA Par3 TIAM1 PAK PIX LMW PTP ROCK 13 5微管骨架在细胞迁移中的作用 微管是由13条原纤维构成的管状结构 直径22 25nm 每一条原纤维由2个非常相似的球状蛋白 微管蛋白和 微管蛋白 结合而成的异二聚体 具有极性 其聚合速率较快的一端称作正端 聚合较慢或解聚的一端称作负端 在 微管蛋白和 微管蛋白上各有一个GTP结合位点 可能由于构象原因 在 微管蛋白上的GTP不会被水解 因而被称为不可交换位点 而 微管蛋白上的GTP在组装成微管时被水解 微管去组装时 GDP被GTP替换 称为可交换位点 微管和微管蛋白 微管组装的过程与踏车行为 13 6细胞迁移参与的生理活动及相关疾病 一 胚胎发育第一阶段 原肠胚的形成第二阶段 器官形成第三阶段 器官继续发育直至功能成熟 相关疾病 1 早期胚胎致死2 组织异常和器管畸形 如先天性心脏畸形3 神经系统性遗传病 如 型无脑回症 二 成体维护 1 损伤修复当机体受到极性损伤时 修复机制会立刻启动 蛀牙活动包括细胞的增值和迁移 以补充损伤造成的细胞或组织损伤 免疫细胞和血小板也会迁移到损伤部位 参与消炎和凝血 新生血管的形成也需要血管内皮细胞的迁移 成体维护 2 免疫反应在免疫系统中 淋巴细胞的定向迁移是其分化成熟和发挥功能的关键之一 相关疾病 1 免疫类疾病 如风湿性关节炎2 欧德里综合征 WAVE Scar和WASP出现突变或功能缺失 三 癌症转移 癌症转移 侵袭正常组织 远端转移 癌细胞的迁移同样依赖于微丝骨架的重组和小GTP蛋白Rho家族介导的信号通路 但上游信号通路和迁移的具体方式会各异 癌细胞通过自然选择可以获得并利用正常细胞具备的任何一种迁移方式进行转移 小结 细胞迁移是最古老也最重要的动物细