核纖層

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核纖層(nuclear lamina)

普遍存在於高等真核細胞中,是內層核被膜纖維蛋白片層,其纖維直徑為10毫微米左右,纖維縱橫排列整齊呈纖維網路狀。核纖層在核內與核基質連接,在核外與中等纖維相連,構成貫穿於細胞核細胞質的統一網架結構體系。它位於內層核膜染色質之間,與核膜、染色質及核孔複合體在結構上有密切聯繫,核纖層蛋白向外與內層核膜上的蛋白結合,向內與染色質的特定區段結合。其厚度隨不同細胞而異,為30~100毫微米。大多數真核細胞的核纖層很薄。高等動物核纖層通常由3種屬於中等纖維的多肽組成,即核纖層蛋白(lamins)A、B、C。分子量60000~80000道爾頓。核纖層與核被膜的穩定、維持核孔位置、穩定間期染色質形態與空間結構、染色質構建和細胞核組裝密切相關。如在間期細胞中,核纖層為核膜提供了支架的作用,核纖層的可逆性解聚調節了核膜的崩解和重建,當細胞進行有絲分裂時,核纖層蛋白被磷酸化,引起核纖層可逆解聚,核膜崩解,在分裂末期時,核纖層蛋白去磷酸化,它直接介導了核膜圍繞染色體之重建。

核纖層是位於細胞核內層核膜下的纖維蛋白片層或纖維網路,核纖層由1至3種核纖層蛋白多肽組成。核纖層與中間纖維核骨架相互連結,形成貫穿於細胞核與細胞質的骨架結構體系。

間期細胞核中,核纖層與核膜在結構上有密切聯繫,常與核膜組分起被分離。有人認為廣義的核膜包括3種主要結構組分:(1)核外膜和核內膜;(2)核孔複合體;(3)核纖層,而後兩者又被認為是核骨架的有機組分。當用高鹽、非離子去垢劑核酸酶處理核膜後,只有核膜孔複合體和核纖層存留,核纖層對鹽溶液有較大的穩定性,在細胞抽提中常與中間纖維、核骨架共同被分離。  

核纖層的研究

核纖層的研究始於50年代,而真正取得實質性進展是在70年代末和80年代。lamina曾有許多不同的名稱,如fibrous lamina、dense lamella、zona nuclear limitans,目前通用的名稱是lamina或nuclearlamina。現在還沒有統一的合適的中文譯名,有「核纖層」、「核層」、「核襯層」與「核周層」等不同的譯名,傾向於用核纖層來表示。  

(一)形態結構

在某些真核細胞中,通過超薄切片電鏡觀察可以直接觀察到位於內層核膜與染色質之間的核纖層結構,厚度為30~100nm,然而,絕大多數細胞的核纖層是很薄的結構。只有將核膜與染色質去除後才能觀察到。免疫細胞化學研究說明,核纖層至少在高等真核細胞間期細胞核中是普遍存在的。

核纖層纖維的直徑為10nm左右,縱橫排列整齊,呈正交狀編織成網路,分布於內層核膜與染色質之間。一般認為核纖層結構整體觀呈一球狀或籠狀網路,切面觀呈片層結構。在分裂期細胞,核纖層解體,以單體形式存在於胞質中。  

(二)成分

核纖層由核纖層蛋白(lamin)構成,分子量在60~80kD之間。蛋白質化學免疫化學方法分析了多種高等動物的核纖層蛋白,證實其是一個蛋白家族。在哺乳動物和鳥類細胞中,存在3種核纖層蛋白,即核纖層蛋白A,核纖層蛋白B,核纖層蛋白C。在非洲爪蟾中有4種,即核纖層蛋白Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ。根據等電點的差別可將核纖層蛋白分為兩大類:(1)近中性的,如哺乳類和鳥類中的核纖層蛋白A和核纖層蛋白C,兩棲類中的LⅡ,LⅢ,LⅣ;(2)偏酸性的,其等電點為5~6或更低,如哺乳類和鳥類中的核纖層蛋白B和兩棲類中的LⅠ。真核細胞中的核纖層研究見表9-6,推測核纖層至少在高等真核細胞間期細胞核中是普遍存在的。但低等真核細胞中,尤其是單細胞真核生物中,是否存在核纖層結構和成分,尚有待探討。  

(三)核纖層蛋白的分子結構

早在60年代就知道核纖層具有纖維網狀結構,但對其分子基礎並不清楚。近年來發現核纖層與中間纖維有許多共同點:

(1)兩者均形成10nm纖維;

(2)兩者均能抵抗高鹽和非離子去垢劑的抽提;

(3)某些抗中間纖維蛋白的抗體能與核纖層發生交叉反應,說明中間纖維蛋白與核纖層蛋白分子存在相同的抗原決定簇(Osborn& Weber, 1987);

(4)兩者在結構上有密切聯繫,核纖層成為核骨架與中間纖維之間的橋樑。  

(四)核纖層蛋白在細胞分化中的表達

核纖層蛋白在細胞分化過程中的表達具有一定的細胞特異性,最早發現非洲爪蟾體細胞卵母細胞含有不同的核纖層蛋白,因而對胚胎髮生細胞分化過程中核纖層蛋白的表達發生了興趣。通過大量研究所得到的系統結果表明:

卵母細胞的核纖層蛋白由LⅢ構成;卵球成熟過程中,細胞核破裂,LⅢ呈溶解狀態;卵受精後,解聚的LⅢ又重新聚合,形成胚胎細胞核內的核纖層結構;早期胚胎中(直至囊胚中期),幾乎沒有新合成的LⅢ,而LⅠ和LⅡ完全缺失。這些數據說明,卵母細胞中核纖層是胚胎髮生早期的核纖層蛋白庫。囊胚中期,LⅠ開始表達;而LⅡ在原腸期開始合成,至少在幾小時內,幾種核纖層蛋白共同構成胚胎細胞核內的核纖層結構。隨著發生過程的進行,胚胎細胞核內的LⅢ量逐漸減少,到蝌蚪期用免疫熒光染色在大多細胞中已檢測不到LⅢ。核纖層蛋白的結構主要由LⅠ和LⅡ構成。然而,在發生後期(47期),某些體細胞,如神經細胞,肌肉細胞和睾丸支持細胞(Sertoli』s)細胞,重新開始表達LⅢ,大多數體細胞僅表達LⅠ和LⅡ。  

(五)核纖層在生命活動中的變化

核纖層最顯著的結構重組發生於分裂期,在細胞分裂過程中,核纖層發生解聚和重裝配。分裂前期,核膜崩解,核纖層解聚,核纖層蛋白彌散到胞質中。分裂末期,當核膜重現時,在染色體周圍重裝配,形成於細胞的核纖層。細胞分裂期中,核纖層蛋白的磷酸化水平發生顯著改變,分裂前期高度磷酸化,而末期則發生去磷酸化,提示磷酸化可能是分裂期中核纖層結構動態變化的調控因素,而核纖層蛋白磷酸化可能是分裂前期細胞內磷酸化級聯放大反應的一個重要環節,這種磷酸化級聯反應可以在時間上協調許多細胞結構在分裂期的重組。最新的研究表明,核纖層蛋白是促分裂因子(MPF)P34cdc2亞基的直接作用底物,P34cdc2亞基具蛋白激酶活性,有絲分裂前期,MPF使核纖層蛋白分子桿狀區兩端的Ser22和Ser392磷酸化,直接導致核纖層解聚。  

(六)功能

核纖層與核膜、染色質及核孔複合體在結構上有密切聯繫,一般認為核纖層在細胞核中起支架作用,為核膜及染色質提供了結構支架。

核纖層的作用:

1.保持核的形態:是核被膜的支架,用高鹽溶液、非離子去污劑和核酸酶去除大部分核物質,剩餘的核纖層仍能維持核的輪廓。此外,核纖層與核骨架以及穿過核被膜的中間纖維相連,使胞質骨架和核骨架形成一連續網路結構。

2.參與染色質和核的組裝:核纖層在細胞分裂時呈現出周期性的變化,在間期核中,核纖層提供了染色質(異染色質)在核周邊錨定的位點。在前期結束時,核纖層被磷酸化,核膜解體。其中B型核纖與核膜殘餘小泡結合,A型溶於胞質中。在分裂末期,核纖肽去磷酸化重新組裝,介導了核膜的重建。

核纖層與核膜在結構和功能上的關係是一個令人感興趣的問題。生化分析發現核纖層蛋白A,B和C均有親膜結合作用,而以核纖層蛋白B與膜的結合能力最強。在細胞分裂期中,核膜與核纖層的行為密切相關,核膜崩解和核纖層解聚後,核纖層蛋白B能選擇性地與核膜小泡結合。Gerace等(1986)推測分裂期中核纖層的可逆性解聚與重裝配對核膜的崩解與重裝配有調節作用,分裂前期核纖層的解聚為核膜崩解形成膜泡提供了必要的微環境。分裂期中核纖層蛋白B結合在核膜小泡上。分裂末期,當核纖層蛋白去磷酸化與重裝配時,直接介導了核膜圍繞染色體的重裝配,核纖層蛋白將核膜小泡「引導」到染色體表面,經膜融合後構成新核膜。這樣一個以核纖層為基礎的核膜重建模型認為少數幾種核膜相關蛋白即足以使核膜在分裂期重建。當然,這一模型尚缺乏充分的實驗證據。  

A型核纖層蛋白前體

細胞模擬圖片

2010年5月12日國研究人員日前報告說,他們發現一種使人衰老的蛋白質在心臟病發病過程中起著重要作用,這將有助於研發治療心臟病的新途徑。

英國倫敦國王學院等機構研究人員在新一期國《循環》醫學期刊上報告說,以前研究曾發現名為「A型核纖層蛋白前體」的蛋白質與人體衰老有關,本次研究分析了這種蛋白質對心臟細胞的作用,發現它會使得心臟細胞難以修復自身損傷,導致心血管硬化和脂肪堆積,最終導致心臟病。

研究人員表示,這項研究為治療心臟病找到了一個途徑,即可以通過有效抗氧化使用較強的抗氧化劑(如類胡蘿卜素β-胡蘿卜素、ASTA蝦青素,番茄紅素等)減少這種蛋白質或抑制其發揮作用來延緩心臟細胞衰老

研究還發現,在老人的心臟平滑肌細胞中往往可以發現這種蛋白質的含量偏高,這也許是老人成為心臟病高發群體的原因之一。

領導研究的凱瑟琳.沙納漢教授說,雖然這種蛋白質在體內積累與自然衰老密切相關,但人們的生活方式也會對這種蛋白質的積累速度造成影響,如吸煙等不良生活習慣就會加速它的積累,提前造成心臟細胞衰老並導致心臟病。

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