第十六章 细胞骨架

为了使细胞正常运作，它们必须在空间中组织自己，并相互之间以及与环境进行机械交互。它们必须形状笔直、物理坚固且内部结构合理。许多细胞不得不改变他们的形状，从一个地方搬到另一个地方。所有细胞都必须能够在生长、分裂和适应不断变化的环境时重新排列其内部成分。这些空间和机械功能取决于称为细胞骨架的非凡细丝系统（图 16-1）。

细胞骨架的不同功能取决于蛋白质丝的三个主要家族的行为——肌动蛋白丝、微管和中间丝。每种类型的细丝都有不同的机械性能、动力学和生物作用，但都有某些共同的基本特征。正如我们需要韧带、骨骼和肌肉协同工作一样，所有三个细胞骨架系统通常必须共同发挥作用，以赋予细胞力量、形状以及分裂和移动的能力。

在本章中，我们描述了细胞丝系统的功能和进化保守性。我们解释了细丝组装和拆卸的基本原理，以及其他蛋白质如何与细丝相互作用以改变其动力学并指导其组织。最后，我们讨论了细胞骨架系统如何与其他细胞成分协同工作以产生细胞极性，这对于细胞行为和功能的许多方面都至关重要。

细胞骨架的功能和动力学

三种主要的细胞骨架丝负责细胞空间组织和机械特性的不同方面。

肌动蛋白丝决定细胞表面的形状，是全细胞运动所必需的;它们还会将一个细胞捏成两个细胞。

微管决定细胞器的位置，指导细胞内运输，并形成在细胞分裂过程中分离染色体的有丝分裂纺锤体。

中间细丝提供机械强度。

所有这些细胞骨架丝都与数百种辅助蛋白相互作用，这些辅助蛋白调节并将细丝与其他细胞成分以及彼此连接起来。辅助蛋白对于细胞骨架丝在特定位置的受控组装至关重要，它们包括运动蛋白，这是一种非凡的分子机器，可将 ATP 水解的能量转化为机械力，可以沿细胞丝移动或移动细丝本身。在本章的这一部分，我们讨论了构成细胞骨架细丝的蛋白质的一般特征。我们关注它们形成高度动态的固有极化和自组织结构的能力，使细胞能够在条件发生变化时快速改变细胞骨架结构和功能。

细胞骨架丝是动态的，但仍然可以形成稳定的结构

细胞骨架系统是动态的和适应性强的，更像蚂蚁的足迹，而不是州际公路。一条蚂蚁的足迹可能会持续数小时，从蚂蚁巢延伸到美味的野餐地点，但小径内的单只蚂蚁绝不是静态的。如果蚂蚁侦察兵找到了新的、更好的食物来源，或者如果野餐者清理干净后离开，动态结构就会以惊人的速度适应。以类似的方式，大规模的细胞骨架结构可以根据需要改变或持续，持续时间从不到一分钟到细胞的寿命不等。但是构成这些结构的各个大分子成分处于恒定的通量状态。因此，就像蚂蚁足迹的改变一样，当条件发生变化时，细胞中的结构重排几乎不需要额外的能量。

对细胞骨架丝的动态行为和组装的调节使真核细胞能够从三个基本丝系统构建大量结构。面板 16-1 中的显微照片说明了其中一些结构。肌动蛋白丝位于动物细胞质膜的一层（称为细胞皮层）之下，为薄脂质双层提供强度和形状。它们还形成多种类型的细胞表面突起。其中一些是动态结构，例如细胞用来探索区域和四处移动的filopodia, lamellipodia, and pseudopodia。更稳定的阵列使细胞能够支撑自己对抗底层并使肌肉收缩。内耳毛细胞表面的规则立体纤毛束包含稳定的肌动蛋白丝束，这些丝束会响应声音而像刚性棒一样倾斜，肠上皮细胞表面的微绒毛大大增加了顶端细胞表面积，以增强营养吸收。在植物中，肌动蛋白丝驱动细胞质在细胞内的快速流动。

微管经常出现在延伸到细胞外围的细胞质阵列中，在细胞分裂过程中可以迅速重新排列以形成双极有丝分裂纺锤体。它们还可以形成纤毛，纤毛在细胞表面起到运动鞭子或感觉装置的作用，或者紧密排列的束，作为物质沿着长神经元轴突运输的轨道。在植物细胞中，有组织的微管阵列有助于指导细胞壁同义论的模式，在许多原生动物中，它们形成了构建整个细胞的框架。

中间丝排列在核膜的内表面，为细胞的 DNA 形成一个保护笼;在胞质溶胶中，它们被扭曲成坚固的电缆，可以将上皮细胞片固定在一起或帮助神经细胞延长长而强壮的轴突，它们使我们能够形成坚韧的附属物，例如头发和指甲。

细胞骨架快速重组的一个重要而引人注目的例子发生在细胞分裂过程中，如图 16-2 所示，在组织培养皿中生长的成纤维细胞。染色体复制后，扩散到整个细胞质的间期微管阵列被侦察到双极有丝分裂纺锤体中，该纺锤体将每条染色体的两个拷贝转移到单独的子核中。同时，使成纤维细胞能够在培养皿表面爬行的特殊肌动蛋白结构重新排列，使细胞停止移动并呈现出更球形的形状。然后，肌动蛋白及其相关的运动蛋白肌球蛋白在细胞中间形成一条带，即收缩环，它像一块细小的肌肉一样收缩，将细胞一分为二。当分裂完成时，两个子成纤维细胞的细胞骨架重建它们的间期结构，从而将两个圆润的子细胞转化为扁平、爬行的母细胞的较小版本。

许多细胞在间期也需要快速的细胞骨架重排才能发挥其正常功能。例如，中性粒细胞（一种白细胞）会追逐并吞噬意外进入身体的细菌和真菌细胞，例如通过皮肤上的切口。像大多数爬行细胞一样，中性粒细胞通过扩展与新聚合的肌动蛋白丝形成的突出结构来前进。当难以捉摸的细菌猎物向不同的方向移动时，嗜中性粒细胞可以在几秒钟内重组其极化的突出结构（图 16-3）。

细胞骨架决定细胞组织和极性

在已实现稳定分化形态的细胞（如成熟神经元或上皮细胞）中，细胞骨架的动态元件为细胞组织产生稳定的大规模结构。例如，在肠道和肺等器官的特化上皮细胞上，基于细胞骨架的细胞表面突起（包括微绒毛和纤毛）能够在细胞的整个生命周期内保持恒定的位置、长度和直径。对于肠上皮细胞上微绒毛核心的肌动蛋白束，这只有几天。但是内耳毛细胞上的立体纤毛必须在动物的整个生命周期内保持稳定的组织结构，因为这些细胞不会替换。值得注意的是，立体纤毛中的肌动蛋白丝非常稳定，仅在其尖端观察到多聚体化和解聚。我们不了解这些肌动蛋白结构是如何在几十年内保持恒定长度的。

除了形成稳定、特化的细胞表面突起外，细胞骨架还负责大规模的细胞极性，使细胞能够分辨顶部和底部或前后之间的区别。细胞骨架组织传递的极性信息通常在细胞的整个生命周期中保持不变。例如，极化上皮细胞使用有组织的微管、肌动蛋白丝和中间丝阵列来维持顶端表面和基底外侧表面之间的关键差异。它们还必须彼此保持牢固的粘合接触，以使这层细胞能够作为有效的物理屏障（图 16-4）。本章的最后一部分讨论了如何建立细胞极性。

细丝由赋予特定物理和动态特性的蛋白质亚基组装而成

细胞骨架细丝可以从细胞的一端到达另一端，跨越数十甚至数百微米。然而，形成细丝的单个蛋白质分子只有几纳米大小。该细胞通过组装大量小亚基来构建细丝，就像用砖块建造摩天大楼一样。因为这些亚基很小，所以它们可以在胞质溶胶中迅速扩散，而组装的细丝则不能。通过这种方式，细胞可以进行快速的结构重组，在一个位点分解细丝，然后在另一个遥远的位点重新组装它们。

肌动蛋白丝和微管由小小的球状亚基构成——肌动蛋白丝的肌动蛋白亚基和微管的微管蛋白亚基——而中间丝由本身细长且呈纤维状的亚基组成。所有三种主要类型的细胞骨架都使用端到端和侧对侧蛋白质接触的组合形成自缔合的亚基的聚合物组装。虽然许多生物聚合物（包括 DNA、RNA 和蛋白质）的骨架结合在一起是依赖共价键的作用，但将三种类型的细胞骨架聚合物结合在一起的是弱的非共价相互作用。由于共价键没有形成或断裂，因此组装和拆卸会迅速发生。亚基结构的差异以及它们如何相互结合，对每种细丝的稳定性和机械性能产生重要差异。

肌动蛋白丝和微管的亚基是不对称的，并且从头到尾相互结合，因此它们都具有方向。这种亚基极性使细丝沿其长度具有结构极性，并使每种聚合物的两端表现不同。此外，肌动蛋白和微管蛋白亚基是分别催化核苷三磷酸 （NTP） — ATP 和 GTP 水解的酶。正如我们稍后讨论的那样，NTP 水解产生的能量有助于细丝快速重塑。它允许细胞利用这些丝的极性和动态特性在特定方向上产生力，例如，将迁移细胞的前缘向前移动，或在细胞分裂过程中将染色体拉开。相反，中间丝的亚基是对称的，因此不会形成具有两个不同末端的极化丝。中间丝亚基也不催化 ATP 或 GTP 的水解。然而，中间长丝可以在需要时快速拆卸。例如，在有丝分裂中，激酶磷酸化中间丝的亚基，导致它们解离。

活细胞中的细胞骨架丝不是简单地将亚基串成一个文件来构建的。例如，一千个首尾相连的微管蛋白亚基将跨越一个小真核细胞的直径，但以这种方式形成的细丝将缺乏避免被环境能量断裂的强度，除非细丝中的每个亚基都非常紧密地结合在其两个相邻的亚基上。这种紧密的结合会限制细丝的分解速度，使细胞骨架成为静态的且不太有用的结构。

为了提供强度和适应性，微管由 13 根protofilaments(首尾相连的线性亚基串）构成，它们彼此横向结合形成一个空心圆柱体。在一个原丝末端添加或丢失一个亚基会形成或断开少量键。相比之下，从原丝中间丢失一个亚基需要断开更多的键，而将其一分为二需要同时断开多个原丝中的键（图 16-5）。同时破坏多个非共价键所需的更大能量使微管能够抵抗热断裂，同时允许在细丝末端快速添加和丢失亚基。虽然仅由 2 根链而不是 13 根链组成，但螺旋肌动蛋白丝亚基还可以进行端到端和侧对侧接触，从而在细丝末端实现快速动态，同时沿细丝长度提供足够的强度。然而，微管的管状几何形状使其比双链肌动蛋白丝硬得多。

与其他特异性蛋白质-蛋白质相互作用一样，许多疏水相互作用和非共价键将细胞骨架丝中的亚基固定在一起（参见图 3-4）。亚基-亚基接触的位置和类型因不同的细丝而异。例如，中间丝通过在α螺旋的卷曲螺旋之间形成牢固的横向接触来组装，这些线圈延伸到每个细长纤维亚基的大部分长度上。由于单个亚基在细丝中交错排列，因此中间细丝形成坚固的绳状结构，比肌动蛋白细丝或微管更能容忍拉伸和弯曲（图 16-6）。

辅助蛋白和马达作用于细胞骨架丝

细胞调节其细胞骨架丝的长度和稳定性、它们的数量和几何形状，以及它们彼此之间以及与细胞其他成分的附着。因此，细丝可以形成各种高阶结构。细丝亚基的直接共价修饰可调节一些细丝特性，但大部分调节由数百种辅助蛋白执行，这些辅助蛋白决定细丝的空间分布和动态行为，将通过信号通路接收的信息转化为细胞骨架作用。这些辅助蛋白与细丝或其亚基结合以确定新细丝的组装位点，调节细丝和亚基形式之间聚合物蛋白的分配，从而改变细丝组装和拆卸的动力学，利用能量产生力，并将细丝彼此连接或连接到其他细胞结构，如细胞器和质膜。在这些过程中，辅助蛋白使细胞骨架结构受到细胞外和细胞内信号的控制，包括触发每个细胞周期中发生的细胞骨架剧烈转变的信号。辅助蛋白成群作用，使细胞能够保持高度组织但灵活的内部结构，并且在许多情况下能够移动。

与细胞骨架相关的最迷人的蛋白质之一是马达蛋白。这些蛋白质与极化的细胞骨架丝结合，并利用 ATP 水解重复循环产生的能量沿着它移动。数十种不同的运动蛋白共存于每个真核细胞中。它们结合的细丝类型（肌动蛋白或微管）、沿细丝移动的方向以及它们携带的“货物”各不相同。许多运动蛋白将膜封闭的细胞器（如线粒体、高尔基体堆栈或分泌囊泡）运送到细胞中的适当位置。其他运动蛋白导致细胞骨架丝施加张力或相互滑动，从而产生驱动肌肉收缩、纤毛跳动和细胞分裂等现象的力量。

沿定向聚合物轨道单向移动的细胞骨架运动蛋白让人想起本书其他地方讨论的其他一些蛋白质和蛋白质复合物，例如 DNA 和 RNA 聚合酶、解旋酶和核糖体。所有这些蛋白质都具有利用化学能沿着线性轨道推动自身的能力，滑动方向取决于轨道的结构极性。它们都通过将核苷三磷酸水解与大规模构象变化偶联来产生运动（参见图 3-71）。

分子马达在以布朗运动为主的细胞环境中运行

由于细胞的微观尺寸，基于马达的运动发生在由于称为布朗运动的随机热波动而高度动态的环境中。如第 1 章所述（见第 9 页），布朗运动驱动细胞内所有分子的扩散，因此它对需要分子碰撞的生化反应的速率至关重要。另一个重要影响是它在小尺度上产生粘性阻力。例如，沿着细胞骨架丝移动的运动蛋白不断受到与水和其他分子的随机碰撞的冲击。一旦它的运动活动停止，由于这些碰撞产生的粘性阻力，运动蛋白就会停止在其轨道上。

任何物体在流体中移动的停止距离都由雷诺数决定，雷诺数是作用在该物体上的惯性力与粘性力的比值。该比率取决于物体的大小及其在流体中的移动速度。例如，虽然细菌和鱼都可以在水中推动自己，但鱼的大小和速度为它提供了很大的惯性，因此当它停止游泳时，它会继续在水中滑行一段距离。相比之下，由于其体积小得多且移动速度慢，停止自我推进的细菌将立即停止（图 16-7）。为了使鱼具有类似的行为，需要将其放置在非常粘稠的介质中，例如屋顶焦油。在细胞内部，由于粘性力远大于惯性力，因此移动分子的微小尺寸和缓慢速度导致雷诺数极低。因此，细胞内没有 “滑动”。

随机布朗运动也可用于控制小尺度的运动，即使在没有运动蛋白的情况下也是如此。正如我们在本章后面所描述的，一些细胞内病原体，如细菌：单胞增生李斯特菌 利用肌动蛋白聚合的力量在细胞内移动。这种运动不涉及运动蛋白。相反，肌动蛋白丝被诱导在一端与细菌表面相邻。当细菌随机由于布朗运动而向前移动，肌动蛋白迅速填充间隙，使细菌无法滑回其原始位置。通过这种方式，肌动蛋白聚合产生一股推动细菌穿过细胞质的力（参见图 16-17）。类似的过程驱动迁移动物细胞前缘的质膜向前移动（参见图 1-7）。这种现象，即以定向方式利用随机热运动，创造了一个布朗棘轮。

总结

真核细胞的细胞质在空间上由称为细胞骨架的蛋白质网络组织。该网络包含三种主要类型的 f-ilaments：肌动蛋白丝、微管和中间丝。所有三种类型的细丝都是由亚基组装体形成的，这些亚基使用端到端和侧对侧蛋白质接触的组合进行自缔合。亚基结构的差异及其自组装方式赋予了细丝不同的机械特性。亚基组装和拆卸不断重塑所有三种类型的细胞骨架丝。肌动蛋白和微管蛋白（分别为肌动蛋白丝和微管的亚基）结合和水解核苷三磷酸（分别为 ATP 和 GTP）并从头到尾组装以产生具有产生力的极化丝。在活细胞中，包括分子马达在内的辅助蛋白调节细胞骨架丝的动力学和组织，导致细胞分裂、迁移或肌肉收缩等复杂事件，并产生复杂的细胞结构以形成极化组织，例如上皮细胞。

肌动蛋白

肌动蛋白细胞骨架在多种细胞类型中发挥着广泛的功能。每个肌动蛋白亚基，有时称为球状或 G-肌动蛋白，是一种 375 个氨基酸的多肽，携带一个紧密结合的 ATP 或 ADP 分子（图 16-8A）。肌动蛋白在真核生物中非常保守。来自不同真核生物物种的肌动蛋白的氨基酸序列通常约为 90% 相同。肌动蛋白氨基酸序列的微小变化会导致显著的功能差异：例如，在脊椎动物中，有三种亚型的肌动蛋白，称为 α、β 和 γ，它们的氨基酸序列略有不同，具有不同的功能。α-肌动蛋白仅在肌肉细胞中表达，而 β-和 γ-肌动蛋白几乎一起存在于所有非肌肉细胞中。

肌动蛋白亚基从头到尾组装形成柔性的极性细丝

肌动蛋白亚基从头到尾组装形成一个紧密的右旋螺旋，形成一个约 8 nm 宽的结构，称为丝状或 F 肌动蛋白（图 16-8B 和 C）。因为细丝的不对称肌动蛋白亚基都指向同一方向，所以细丝是极性的，并且在结构上具有不同的末端：生长较慢的负端和生长较快的正端。负端也称为尖端pointed end，正端称为倒钩端barbed end，因为在电子显微照片中可见的肌动蛋白丝和运动蛋白肌球蛋白之间形成的复合物的箭头外观（图 16-9）。在细丝内，亚基位于 ATP 结合裂隙中，指向负端。

单个肌动蛋白丝非常灵活。细丝的刚度可以用它的persistence length来表征，即随机热波动可能导致其弯曲的最小细丝长度。肌动蛋白丝的持久性长度只有几十微米。然而，在活细胞中，辅助蛋白经常交联并将细丝捆绑在一起，从而形成比单个肌动蛋白细丝更坚硬的大规模肌动蛋白结构。

成核是肌动蛋白丝形成的限速步骤

肌动蛋白丝形成的调节是细胞控制其形状和运动的重要机制。肌动蛋白亚基可以自发地相互结合，但在亚基组装成初始寡聚体或核之前是不稳定的，其通过多个亚基-亚基接触稳定，然后可以通过添加更多亚基快速伸长。这个过程称为微丝成核。

肌动蛋白成核和聚合的许多特征已在试管中用纯化的肌动蛋白进行了研究（图 16-10）。较小肌动蛋白寡聚体的不稳定性使成核效率低下。当聚合开始时，这会导致滞后期，在此期间不会观察到细丝。然而，在这个滞后阶段，小的、不稳定的寡聚体逐渐成功地转变为更稳定的形式，类似于肌动蛋白丝。这导致细丝快速伸长阶段，在此期间，亚基迅速添加到有核细丝的末端（图 16-10A）。最后，随着肌动蛋白单体浓度的降低，系统接近稳定状态，在该状态下，新亚基添加到细丝末端的速率正好平衡亚基解离的速率。此时留在溶液中的游离亚基的浓度称为临界浓度 Cc。如面板 16–2 中所述，临界浓度值等于亚基损失的速率常数除以亚基添加的速率常数;即 Cc = koff/kon，它等于解离常数 Kd 和平衡常数的倒数 K（参见图 3-42）。在试管中，肌动蛋白聚合的 Cc（即聚合物中肌动蛋白分数停止增加的游离肌动蛋白单体浓度）约为 0.1 μM。在细胞内部，未聚合肌动蛋白的浓度远高于此，并且细胞已经进化出机械肌动蛋白以防止其大部分单体肌动蛋白组装成细丝，正如我们稍后讨论的那样。

如果在聚合反应开始时将预先存在的种子（例如肌动蛋白丝的片段）添加到溶液中，则消除了丝生长的滞后期（图 16-10B）。细胞充分利用了成核屏障：它使用特殊蛋白质在特定位点催化丝成核，从而确定新肌动蛋白丝组装的位置。

肌动蛋白丝有两个不同的末端，它们以不同的速度生长

由于丝中不对称肌动蛋白亚基的统一取向，其两端的结构不同。这种取向使每种聚合物的两端不同，从而对细丝生长速率产生深远影响。肌动蛋白亚基结合和解离的动力学速率常数（分别为 kon 和 koff）在正端比负端大得多。当允许过量的纯化肌动蛋白单体组装到极性标记的细丝上时，可以看到这一点——细丝的正端伸长速度提高了 10 倍（参见图 16-9）。如果快速稀释细丝，使游离亚基浓度降至临界浓度以下，则正端也会更快地解聚。

然而，重要的是要注意，如果所有亚基都与 ATP 或 ADP 结合，则肌动蛋白丝的两端对肌动蛋白亚基具有相同的净亲和力。在 n 个亚基的细丝的任一端添加一个亚基，得到 n + 1 个亚基的细丝。因此，在聚合物的两端添加亚基时，自由能差以及平衡常数（和临界浓度）必须相同。在这种情况下，速率常数的比率 koff/kon 在两端必须相同，即使这些速率常数的绝对值在每一端都非常不同（请参见面板 16-2）。

细胞利用肌动蛋白丝动力学和极性来做机械工作。当添加可溶性亚基的自由能变化 （∆G） 小于零时，细丝伸长会自发进行。当溶液中亚基的浓度超过临界浓度时，就会出现这种情况。细胞可以将能量上不利的过程与这个自发过程耦合;因此，细胞可以利用自发细丝聚合过程中释放的自由能来移动附加的负载。例如，通过将肌动蛋白丝的快速生长正端朝向其前缘，运动细胞可以将其质膜向前推，正如我们稍后讨论的那样。

肌动蛋白丝内的 ATP 水解导致稳态踏车

在我们讨论肌动蛋白丝动力学时，我们忽略了肌动蛋白可以催化核苷三磷酸 ATP 水解的关键事实。对于游离肌动蛋白亚基，这种水解进行得非常缓慢;然而，当亚基掺入细丝中时，它会加速。ATP 水解发生后不久，游离磷酸基团从每个亚基中释放出来，但 ADP 仍然被困在细丝结构中。因此，可以存在两种不同类型的细丝结构，一种是 ATP 结合的 T 形式，另一种是 ADP 结合的 D 形式。

当 ATP 水解时，磷酸-磷酸键的断裂作用释放的大部分自由能储存在聚合物中。这使得亚基从 D 型聚合物解离的自由能变化比亚基从T 型聚合物解离的自由能变化更负。因此，D 型聚合物的 koff/kon 比值（数值等于其临界浓度 [Cc（D）]）大于 T 型聚合物的相应比值。因此，Cc（D） 大于 Cc（T）。因此，在一定浓度的游离亚基下，D 型聚合物会收缩，而 T 型聚合物会生长。

在活细胞中，大多数可溶性肌动蛋白亚基为 T 形式，因为 ATP 的自由浓度比 ADP 高约 10 倍。然而，亚基在肌动蛋白丝中的时间越长，它们水解 ATP 的可能性就越大。细丝两端的亚基是 T 形式还是 D 形式取决于这种水解速率与亚基添加速率的比较。如果肌动蛋白单体的浓度都大于 T 型和 D 型聚合物的临界浓度，则亚基将在先前添加的亚基中的 ATP 被水解之前添加到聚合物的两端;因此，肌动蛋白丝的尖端将保持 T 形式。另一方面，如果亚基浓度低于 T 型和 D 型聚合物的临界浓度，则可能在添加下一个亚基之前发生水解，细丝的两端将呈 D 型并收缩。在中等浓度的肌动蛋白亚基下，亚基添加速率可能在正端比 ATP 水解快，但比负端的 ATP 水解慢。在这种情况下，细丝的正端保持 T 构象，而负端采用 D 构象。然后，细丝在正端经历亚基的净添加，同时从负端丢失亚基。这导致了细丝踏车的显着特性（图 16-11;参见面板 16-2）。

在特定的中间亚基浓度下，正端的细丝生长正好平衡了负端的细丝收缩。在这些条件下，亚基在游离状态和丝状状态之间快速循环，而细丝的总长度保持不变。这种稳态踏车需要以 ATP 水解的形式持续消耗能量。

微丝稳定药物和微丝解聚药物都能抑制微丝的功能

稳定或不稳定肌动蛋白丝的化合物是研究细胞中丝的动态行为和功能的重要工具。细胞松弛素是真菌产物，通过与肌动蛋白丝的正端结合来阻止肌动蛋白聚合。Latrunculin 通过与肌动蛋白亚基结合来阻止肌动蛋白聚合。鬼笔环肽是从鹅膏菌中分离出来的毒素，它们沿着肌动蛋白丝的侧面紧密结合并稳定它们防止解聚。所有这些化合物都会引起肌动蛋白细胞骨架的剧烈变化，并且对细胞有毒，这表明肌动蛋白的功能取决于细丝和肌动蛋白单聚体之间的动态平衡（表 16-1）。

微丝/微管抑制剂

作用对象	药物名称	作用效果	作用机制	来源
微丝	Latrunculin	解聚	结合亚基	海绵
微丝	细胞松弛素B	解聚	+端加帽	真菌
微丝	鬼笔环肽	稳定	结合纤维	鹅膏菌
微管	紫杉醇	稳定	结合纤维	紫杉
微管	诺考达唑	解聚	结合亚基	人工合成
微管	秋水仙碱	解聚	两端加帽	秋水仙

肌动蛋白结合蛋白影响细丝动力学和组织

在试管中，如前所述，肌动蛋白的聚合仅由其浓度以及 pH 值以及盐和 ATP 的浓度控制。然而，在细胞内，肌动蛋白的行为也受到结合肌动蛋白单体或细丝的许多辅助蛋白的调节（在面板 16-3 中总结）。在体外稳态下，当单体浓度为 0.1 μM 时，细丝半衰期（衡量单个肌动蛋白单体在踏车上运行时在细丝中停留时间的指标）约为 30 分钟。在非肌肉脊椎动物细胞中，肌动蛋白丝的半衰期仅为 30 秒，这表明细胞因子会改变肌动蛋白丝的动态行为。肌动蛋白结合蛋白通过对丝成核、伸长和解聚的空间和时间控制，显著改变肌动蛋白丝动力学。它们还调节肌动蛋白与膜的结合以及细丝的组织方式。在以下部分中，我们描述了这些辅助蛋白改变细胞中肌动蛋白功能的方式，使肌动蛋白聚合能够产生支撑、塑造和移动细胞膜所需的力。

肌动蛋白成核受到严格调节并产生分枝或直丝

在大多数非肌肉脊椎动物细胞中，大约 50% 的肌动蛋白位于丝状物中，50% 是可溶的，但可溶性单体浓度为 50-200 μM，远高于临界浓度。为什么如此少的肌动蛋白聚合成细丝？一个主要原因是肌动蛋白丝多聚体化在细胞中受到大量控制肌动蛋白丝成核的蛋白质的严格调节，这些蛋白质几乎总是靠近膜表面。包含串联连接的肌动蛋白单体结合基序的 Pro tein 介导最简单的细丝成核机制。这些肌动蛋白成核 pro tein 将几个肌动蛋白亚基聚集在一起形成种子。在大多数情况下，肌动蛋白成核由以下两个不同因素之一催化：Arp2/3 复合物或formins。其中第一种是蛋白质复合物，包括两种肌动蛋白相关蛋白 （ARP），每种蛋白与肌动蛋白约 45% 相同。Arp2/3 复合物使肌动蛋白丝生长成核并保持与负极结合，允许+极的快速延长。Arp2/3符合物介导的肌动蛋白纤维成核要求成核促进因子（NPF）的活性。当 Arp2/3 复合物附着在预先存在的肌动蛋白丝的一侧时，它会受到进一步的刺激。因此，Arp2/3 复合物激活产生一个支链的肌动蛋白丝阵列，与膜相邻，将单个丝构建成一个树状网络。细胞表达多个 NPF，每个 NPF 都形成支链肌动蛋白网络，用于启动各种肌动蛋白聚合依赖性过程，例如膜结合囊泡在细胞内的短距离运输、粘附连接的形成（参见第 19 章）和吞噬作用（参见图 13-70）。如下所述，NPF 驱动的肌动蛋白聚合通常在细胞迁移过程中细胞前缘的突出中起直接作用。

formin是二聚体蛋白，可成核未分支丝的生长，这些丝可被其他蛋白质交联形成平行束。每个formin亚基都有一个单体肌动蛋白的结合位点，formin二聚体似乎通过捕获两个单体使肌动蛋白丝聚合成核。随着新成核细丝的生长，formin二聚体仍然与快速生长的正端相关，同时仍然允许在该端添加新的亚基（图 16-13）。这种细丝组装机制与 Arp2/3 复合物使用的机制明显不同，后者保持稳定地结合到细丝负端，防止该端的亚基添加或丢失。除了在肌动蛋白成核中的作用外，formin蛋白还显著加速肌动蛋白丝的生长。formin介导包含极化肌动蛋白电缆的各种细胞结构的组装，包括丝状伪足、应力纤维和收缩环。

Arp2/3 复合物和formin的肌动蛋白丝成核主要发生在质膜，因此大多数细胞中肌动蛋白密度最高位于细胞皮层内的细胞外围。该区域中的肌动蛋白决定了细胞表面的形状和运动，使细胞能够响应外部环境的变化迅速改变其形状和刚度。

肌动蛋白丝的伸长受单体结合蛋白的调节

一旦成核，肌动蛋白的快速聚合取决于在每根丝的正端进一步添加肌动蛋白单体。一个关键因素是单体结合蛋白 profilin。Profilin 与 ATP 结合裂隙对面的表面结合，阻塞了通常与细丝负端结合的单体一侧，同时使单体上与正端结合的位点暴露出来（参见图 16-8）。当 profilin-肌动蛋白复合物结合游离 plus 末端时，肌动蛋白的构象变化降低了其对 profilin 的亲和力，profilin 脱落，使肌动蛋白丝长了一个亚基。在某些细胞类型中，一种称为胸腺肽的小蛋白非常丰富，并与 profilin 竞争肌动蛋白单体结合，从而进一步调节可用于聚合的肌动蛋白单体库。

profilin 大大促进了肌动蛋白丝的生长，原因有两个。首先，profilin 保持了大量肌动蛋白单体，准备在filament 正端聚合。其次，profilin 的结合位点存在于许多formin以及许多激活 Arp2/3 复合物的 NPF 中。通过与刺激丝成核的因子结合，profilin 结合的肌动蛋白单体被直接募集到丝伸长位点，迅速加速肌动蛋白 filament 组装（图 16-14）。

肌动蛋白丝结合蛋白改变丝动力学和组织

肌动蛋白丝的行为受两大类结合蛋白的调节：沿丝侧面结合的蛋白和与末端结合的结合蛋白（参见图 16-3）。侧结合蛋白包括原肌球蛋白，这是一种与肌球蛋白马达无关的细长蛋白，可沿螺旋肌动蛋白丝的两个凹槽中的每一个同时结合 6 个或 7 个相邻的肌动蛋白亚基。除了稳定和硬化丝外，原肌球蛋白的结合还可以阻止肌动蛋白丝与其他蛋白质相互作用;原肌球蛋白功能的这一方面在控制肌肉收缩方面很重要，我们将在后面讨论。

一旦肌动蛋白分子水解了它们的 ATP，停止生长且未在细胞中特异性稳定的肌动蛋白丝将迅速解聚，尤其是在其正端。加帽蛋白（也称为 CapZ，因为它位于肌肉 Z 带中）的结合通过使其无活性来稳定肌动蛋白丝的正端，从而大大降低丝的生长和解聚速率（图 16-15）。在负端，肌动蛋白丝可能被负责其成核的 Arp2/3 复合物覆盖，尽管典型细胞中的许多负端从 Arp2/3 复合体中释放并且没有加帽。

原肌调节蛋白Tropomodulin以其在肌肉中肌动蛋白丝加帽的功能而闻名，它与肌动蛋白丝的负端紧密结合，这些肌动蛋白丝已被原肌球蛋白包被并因此稳定。在许多细胞类型中，一大类原调节蛋白可调节肌动蛋白丝的长度和稳定性。

末端结合蛋白可以影响细丝动力学，即使它们以非常低的水平存在。由于亚基添加和丢失仅发生在丝末端，因此每个肌动蛋白丝一个末端结合蛋白分子（大约每 200-500 个肌动蛋白亚基一个分子）足以改变肌动蛋白丝网络的结构。例如，肌动蛋白 f ilament plus 末端在膜上成核后的快速加帽会使肌动蛋白聚合集中在新的成核位点，因此 plus 末端仅在需要推力的地方生长（参见图 16-17）。

细胞肌动蛋白网络的三维组织也取决于肌动蛋白交联蛋白的活性。其中一些交联蛋白将肌动蛋白丝捆绑成一个平行阵列，而另一些则以较大的角度将两个肌动蛋白丝结合在一起，从而形成更松散的网状结构。肌动蛋白交联蛋白通常具有两个相似的肌动蛋白结合位点，它们可以是单个多肽链的一部分，也可以由二聚体中结合在一起的两个多肽链中的每一个贡献（参见图 16-3）。这两个细丝结合结构域的间距和排列会影响给定交联蛋白形成的肌动蛋白结构的类型。例如，小单体蛋白 fimbrin 有助于在长细胞突起（如微绒毛和内耳感觉毛细胞的立体纤毛）中发现的平行肌动蛋白丝束的紧密堆积。其他肌动蛋白交联蛋白在其两个结合域之间具有柔性或刚性的弯曲连接，使它们能够形成肌动蛋白网或三维网络，而不是肌动蛋白束。细丝蛋白filamin通过将成对的肌动蛋白丝大致以直角夹紧在一起来实现这一点，从而促进松散和高粘度凝胶的形成。

每种类型的捆绑蛋白也会影响哪些其他分子可以与交联的肌动蛋白丝相互作用。肌球蛋白 II 是一种运动蛋白，使应力纤维和其他收缩阵列能够施加张力。由 fimbrin 引起的肌动蛋白丝非常紧密的堆积显然排除了肌球蛋白，因此由 fimbrin 固定在一起的平行肌动蛋白丝不具有收缩性。另一方面，α-肌动蛋白将相反极性的肌动蛋白纤维交联成松散的束，从而允许肌球蛋白结合并形成收缩的肌动蛋白束。由于肌动蛋白丝的间距和方向非常不同，fimbrin 的捆绑会自动阻止 α-肌动蛋白的束子，反之亦然，因此两种类型的束蛋白是互斥的。

如前所述，动物细胞中的大部分肌动蛋白聚合始于成核蛋白被激活的质膜。数十种其他肌动蛋白结合蛋白与皮质肌动蛋白网络相关。例如，蛋白质血影蛋白的网状网状结构连接到红细胞皮层中的肌动蛋白，在那里它维持细胞形状和质膜的结构完整性（参见第 630-631 页）。ERM 家族的成员（以其前三个成员 ezrin、radixin 和 moesin 命名）表达得更广泛，它们通过与许多细胞类型中的跨膜蛋白和潜在肌动蛋白细胞骨架相互作用的能力来帮助组织膜结构域。在此过程中，它们不仅提供结构连接以加强细胞皮层，而且还调节信号转导通路的活动。Moesin 还增加皮质刚度，以促进有丝分裂期间的细胞变圆。ERM 蛋白被认为在各种情况下结合并组织皮质肌动蛋白细胞骨架，从而影响膜的形状和刚度以及信号分子的定位和活性。

切断蛋白调节肌动蛋白丝解聚

肌动蛋白丝调节的另一个重要机制取决于将肌动蛋白丝分解成许多更小细丝的蛋白质，从而产生大量新的丝末端。这些新末端的命运取决于其他辅助蛋白的存在。在某些情况下，新形成的末端使细丝伸长成核，从而加速新细丝结构的组装。在其他条件下，切断促进旧丝的解聚，使解聚速度加快十倍或更多。此外，切断会改变细胞质的物理和机械特性：坚硬、大的细胞束和凝胶变得更加流动。

一类肌动蛋白切断蛋白是凝溶胶蛋白超家族gelsolin superfamily。这些蛋白 被高水平的胞质 Ca2+ 激活。凝溶胶蛋白与肌动蛋白丝的侧面相互作用，并包含与两个不同位点结合的亚结构域：一个暴露在丝状物表面，另一个隐藏在相邻亚基之间。当热波动在相邻亚基之间产生一个小间隙时，活化的凝溶胶蛋白被认为会切断肌动蛋白的间隙，此时凝溶胶蛋白将自身插入间隙以破坏细丝。切断事件后，凝溶胶蛋白仍附着在肌动蛋白丝上并盖上新的 plus 端。

在所有真核细胞中发现的第二种肌动蛋白丝不稳定蛋白是丝切蛋白cofilin。丝切蛋白也称为肌动蛋白解聚因子actin-depolymerizing factor，沿肌动蛋白丝的长度结合，迫使丝更紧密地扭曲（图 16-16）。丝切蛋白结合诱导的机械应力削弱了细丝中肌动蛋白亚基之间的接触，使细丝不太稳定，更容易被热运动切断，从而产生快速拆卸的细丝末端。因此，细胞内的大多数肌动蛋白丝的寿命比试管中由纯肌动蛋白形成的短。

丝切蛋白优先与含有 ADP 的肌动蛋白丝结合，而不是与含有 ATP 的丝结合。由于 ATP 水解通常比丝组装慢，因此细胞中最新的肌动蛋白丝仍然主要含有 ATP，并且对丝切蛋白的解聚具有抵抗力。因此，丝切蛋白倾向于分解细胞中的旧细丝。正如后面讨论的，丝切蛋白介导的旧而非新肌动蛋白丝的分解对于驱动病原体细胞内运动和细胞迁移的肌动蛋白网络的极化、定向生长至关重要。肌动蛋白丝可以通过原肌球蛋白结合保护肌动蛋白丝切蛋白。因此，肌动蛋白在不同亚细胞位置的动力学取决于稳定和不稳定辅助蛋白的平衡。

细菌可以劫持宿主肌动蛋白细胞骨架

对某些细菌和病毒的研究完美地说明了辅助蛋白在基于肌动蛋白的运动和力产生中的重要性，这些细菌和病毒使用宿主细胞肌动蛋白细胞骨架的成分穿过细胞质。哺乳动物细胞的细胞质非常粘稠，含有抑制细菌或病毒等大颗粒扩散的细胞器和细胞骨架元件。为了在细胞中四处移动并侵入邻近细胞，包括单核细胞增生李斯特菌（导致一种罕见但严重的食物中毒）在内的几种病原体通过募集和激活其表面的 Arp2/3 复合物来克服这个问题。Arp2/3 复合物使肌动蛋白丝的组装成核，肌动蛋白丝产生巨大的力，并以高达 15 μm/min 的速率推动细菌穿过细胞质，留下长长的肌动蛋白“彗星尾巴”（图 16-17;另见图 23-29 和 23-30）。通过将细菌添加到纯肌动蛋白、Arp2/3 复合物、丝切蛋白和加帽蛋白的混合物中，可以在试管中重建这种运动，从而说明了肌动蛋白聚合动力学如何通过细丝组装和拆卸的空间调节产生运动。正如我们将看到的，这种基于肌动蛋白的运动也是运动细胞前缘膜突出的基础。

细胞皮层的肌动蛋白决定细胞形状

尽管肌动蛋白存在于真核细胞的整个细胞质中，但动态肌动蛋白丝的行为主要发生在细胞皮层。在这里，通过与许多不同蛋白质的相互作用，肌动蛋白丝被组织成几种类型的阵列，包括支链网络、平行束以及直丝和支链的组合（图 16-18）。不同的成核蛋白的作用会引发不同的结构：支链网络的肌动蛋白丝由 Arp2/3 复合物成核，而束则由formin产生的长直丝组成。这里的动态会产生不同的细胞形状和特性，以及在迁移的成纤维细胞中观察到的称为丝状伪足和板状伪足的突出结构。这些伪足充满了致密的丝状肌动蛋白核心，不包括膜封闭的细胞器。这些结构的主要区别在于肌动蛋白由肌动蛋白交联蛋白组织的方式（参见面板 16-3）。丝状伪足基本上是一维的。它们包含一个长而束的肌动蛋白丝核心，让人想起微绒毛中的肌动蛋白丝，但更长、更细，也更有活力。板状伪足是二维的片状结构。它们包含肌动蛋白的交联网，其中大部分位于平行于固体基质的平面中。丝状伪足帮助细胞感知环境线索并在细胞迁移中发挥作用。例如，在发育中的神经元中，f ilopodia 从生长锥的前缘延伸，并帮助引导它们到达目标。板状伪足和相关的富含肌动蛋白的结构的突出，将在后面更详细地讨论，它驱动许多迁移细胞的前缘向前移动。

细胞迁移的不同模式依赖于肌动蛋白细胞骨架

细胞运动是所有细胞行为中最引人注目的之一。虽然一些细胞利用基于微管的纤毛或鞭毛来游泳（本章稍后讨论），但许多细胞依靠肌动蛋白细胞骨架进行爬行运动。掠食性变形虫不断爬行寻找食物，很容易观察到它们攻击并吞噬池塘水中较小的纤毛虫和鞭毛虫（见电影 1.4）。在胚胎发生过程中，动物的结构是由单个细胞迁移到特定目标位置和整个上皮片的协调运动创建的（在第 21 章中讨论）。在脊椎动物中，神经嵴细胞从它们在神经管中的起源部位长距离迁移到整个胚胎的各个部位（见电影 21.7）。同样，发育轴突前进尖端的富含肌动蛋白的生长锥移动到远处的突触靶标。

The adult animal seethes with crawling cells. 巨噬细胞和中性嗜血细胞爬行到感染部位并吞噬外来入侵者，这是一种先天免疫反应。破骨细胞通过隧道进入骨骼，形成通道，这些通道被跟随它们的成骨细胞填充，这是一个持续的骨重塑和更新过程。同样，成纤维细胞通过连接组织迁移，在必要时重塑它们，并有助于在受伤部位重建受损的结构。在有序的行进中，肠道上睑层中的细胞沿着肠绒毛的两侧向上移动，取代了在绒毛尖端丢失的吸收细胞。

细胞迁移在许多癌症中也起作用，当原发性肿瘤中的细胞侵入邻近组织并爬入血管或淋巴管，然后出现在身体的其他部位形成转移时。细胞迁移取决于位于质膜下方的富含肌动蛋白的皮层。图 16-19 根据肌动蛋白的组织方式说明了细胞迁移的不同模式。所有迁移的特征都是突出，其中质膜在细胞前部被推出。在间充质细胞迁移中（这是玻璃表面生长的成纤维细胞或上皮细胞的特征）Arp2/3 复合物介导肌动蛋白丝成核在细胞的前缘，从而产生一个层状足（参见图 16-18）。在前缘后面，丝切蛋白（参见图 16-16）使较旧的（ADP 结合的）肌动蛋白丝解聚。因此，肌动蛋白网络在前面组装，在后面拆卸，让人想起前面讨论的单个肌动蛋白丝中发生的踏车（见图 16-11）。间充质细胞迁移需要牢固地附着在底层，这使得细胞体能够产生牵引力并推动自身向前发展。肌动蛋白细胞骨架使用连接到细胞底部表面基于整合素的黏着斑的应力纤维支撑自身（参见图 19-56）。细胞后部肌动蛋白丝束和肌球蛋白 II 马达的收缩，与附着位点的拆卸相协调，使细胞体能够易位。

间充质细胞迁移缓慢，移动速率小于每分钟 1 μm。相比之下，细胞迁移的第二种模式，即变形虫细胞迁移amoeboid cell migration，类似于变形虫典型的快速运动和形状变化，并且可以快数百倍（电影 16.2）。这种移动模式是中性粒细胞等白细胞的典型特征，其特征是通过 Arp2/3 复合物的局部激活使细胞突起爆炸性延伸。突起比板状伪足厚得多，称为pseudopodia (or pseudopods).。与间充质细胞迁移相反，变形虫型运动并不严重依赖于基于整合素的附着到下层表面。然而，牵引是通过与基质的较弱结合发生的，并且迁移细胞看起来更圆润。运动伴随着细胞前部的突出和后部的收缩。

伪足的突出是由在板状伪足中作用的肌动蛋白丝聚合和解聚的相同原理驱动的，肌动蛋白成核、聚合和分解的循环位于细胞的前缘，但产生三维而不是二维结构。一种独特的三维膜突出也可能是由称为起泡blebbing的过程引起的。在这种情况下，质膜从下面的肌动蛋白皮层局部分离，从而允许细胞质 流将膜向外推。膜泡的形成取决于静水压力，静水压力是由细胞后部肌动蛋白和肌球蛋白组装体的收缩产生的。一旦气泡延伸，肌动蛋白丝就会在气泡膜的内表面重新组装，形成新的肌动蛋白皮层。

T hus、前缘突起、粘附到表面和细胞皮层的收缩是所有细胞迁移模式的基础。这些迁移模式可以根据细胞状态、细胞外环境和不同信号通路的激活进行相互转换。

在三维空间中迁移的细胞可以绕过障碍

研究细胞在二维表面上的运动揭示了细胞迁移的重要原理。然而，体内大多数迁移细胞必须在复杂的三维环境中进行谈判。被其他细胞和细胞外基质包围，迁移细胞被限制在空间中，必须绕过将它们与目的地隔开的物理障碍。例如，在免疫监视期间，称为树突状细胞的白细胞在感染部位和淋巴结之间迁移，以启动全身免疫反应（见第 24 章）。可以通过将它们包埋在三维胶原凝胶基质中来模拟树突状细胞迁移，其中它们向趋化信号快速迁移变形虫，延伸大量富含肌动蛋白的突起（图 16-20A 和 B）。当引入包含不同大小通道的微室时，细胞将选择最宽的路径（图 16-20C）。在本章的后面，我们将讨论趋化线索如何诱导细胞极化并引导迁移细胞朝着正确的方向发展。

一些细胞细胞使用称为podosomes的特殊粘附结构，这些结构对于细胞穿过组织屏障非常重要，例如在胚胎发育期间。侵袭性伪足是导致侵入组织的转移性癌细胞迁移的相关结构。podosomes和侵袭性伪足包含许多与其他突起相同的肌动蛋白调节成分。它们还分泌降解细胞外基质的蛋白酶，使它们能够穿过路径上的基质屏障。

总结

肌动蛋白是一种高度保守的细胞骨架蛋白，几乎在所有真核细胞中都以高浓度存在。成核为肌动蛋白聚合提供了动力学屏障，但一旦形成，肌动蛋白丝就会由于结合的 ATP 水解而发生动态行为。肌动蛋白丝是极化的，当细丝在正端组装时，同时在负端解聚时，可以进行跑步。在细胞中，肌动蛋白丝动力学在每一步都受到调节，肌动蛋白的各种形式和功能取决于辅助蛋白的多种多样的序列。大约一半的肌动蛋白通过与 profilin 等蛋白质结合保持为单体形式。Arp2/3 复合物和formin等成核因子分别促进支链丝和平行丝的形成。结合或帽化肌动蛋白丝的蛋白质与促进丝切断或解聚的蛋白质之间的相互作用可以减慢或加速丝组装和拆卸的动力学。另一类辅助蛋白通过以几何定义的方式将它们彼此交联，将它们组装成更大的有序结构。这些肌动蛋白阵列与细胞质膜之间的连接赋予动物细胞机械强度，并允许细化皮质细胞结构，例如板状伪足、丝状伪足、伪足和微绒毛。通过在其表面诱导肌动蛋白丝聚合，细胞内病原体可以劫持宿主细胞细胞骨架并在细胞内移动。细胞迁移取决于通过组装新的肌动蛋白丝或膜起泡、对底层的牵引以及肌球蛋白马达产生的收缩力使细胞体向前移动，从而在前缘形成突起。