纖毛蟲營養(yǎng)期與休眠期類中間纖維體系功能初探

蔡興隆

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

中間纖維-核纖層-核骨架體系廣泛存在于高等真核細胞中，這一體系對細胞生命活動起到多方面的重要作用.其中中間纖維(intermediate filament，IF)又稱中間絲，直徑為10nm的繩索狀結(jié)構(gòu)，最早是在平滑肌細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn).根據(jù)IF的氨基酸序列的差異可把IF分為Ⅵ類［1-2］，其中上皮細胞中的Ⅰ型(酸性)和Ⅱ型(中性和堿性)角蛋白(keratin)，Ⅲ型中間纖維，如波形蛋白(vimentin，又稱波形絲蛋白)以及細胞核內(nèi)的核纖層蛋白A/C、B1、B2，研究的較為深入.

IF的功能可概括為三個方面:1.保持細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的機械完整性，起到細胞支架的功能.2.IF的表面區(qū)為蛋白質(zhì)及細胞的其他組分提供附著面.3.通過改變自身組分，與特定序列DNA、組蛋白、磷酸酯發(fā)生顯著生化作用.［1］在低等單細胞真核生物細胞骨架研究中，自Flickinger在大變形蟲(Amoeba proteus)的細胞核中發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，此后被確定為類中間纖維類核纖層細胞骨架以來，在鞭毛蟲金黃滴蟲(Ochromonas danica)［3］、四 膜 蟲 (Tetrahymenathermophila)［4-5］、尾草履蟲(Paramecium caudatum)［6］小眼蟲(Euglena gracilis)［7］等中證實了這類結(jié)構(gòu)的存在，同時在膜狀急纖蟲(Tachysoma pellionella)、冠突尾柱蟲(Euplotes encysticus)及包囊游仆蟲(Pseudourostyla cristat)、大尾景蟲(Urostyla grandis)的營養(yǎng)期和休眠期也發(fā)現(xiàn)了這種類中間纖維-核纖層-核骨架體系.

1 纖毛蟲營養(yǎng)細胞與休眠細胞中類中間纖維—核纖層—核骨架體系分布

1.1 營養(yǎng)細胞胞質(zhì)中類中間纖維的分布

在相當(dāng)于原細胞質(zhì)的區(qū)域中，類中間纖維呈網(wǎng)絡(luò)狀，向內(nèi)與核纖層發(fā)出纖維連接，向外直達細胞周緣［8］.在網(wǎng)絡(luò)的周緣，相當(dāng)于細胞表膜下表質(zhì)層位置，具一個包繞內(nèi)周緣封閉的纖維層，該層由多根纖維所組成的纖維束構(gòu)成.在不同部位網(wǎng)絡(luò)的密度不盡一致，其中含有直徑10 nm左右的類中間纖維為疏松區(qū)，含有直徑10～30 nm的類中間纖維或纖維束為致密區(qū)［5］.在皮層細胞質(zhì)深部，類中間纖維的區(qū)域化特程度更加明顯［9］.類中間纖維在細胞器和細胞質(zhì)內(nèi)含物豐富的區(qū)域外緣較緊密地聚集，形成纖維束或纖維帶.在鄰近位置的類中間纖維形成較松散的網(wǎng).

1.2 營養(yǎng)細胞中核纖層—核骨架體系

在細胞核位置，核纖層-核骨架體系形成密集的纖維網(wǎng).在核內(nèi)周緣，核纖層纖維相互聚集成繩索狀或條帶狀，以直徑為10 nm左右的纖維組合成致密片層，整個核纖層厚度約為50 nm左右［10］.以核纖層為中心向外發(fā)射許多纖維或纖維束與胞質(zhì)類中間纖維相連接，向內(nèi)與核骨架纖維相聯(lián)系.細胞核內(nèi)為直徑約10 nm的核骨架纖維網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)纖維分布并不均勻，也分為疏松區(qū)和致密區(qū)，但在靠近核纖層的區(qū)域纖維的密集程度最大［8］.同種細胞相比，核骨架纖維明顯要比細胞質(zhì)類中間纖維構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)密集，同時也具有較高的機械強度［11］.

1.3 休眠細胞類中間纖維的分布

在休眠細胞中，包囊壁分為外層壁和內(nèi)層壁.在內(nèi)層壁中觀察到相似于類中間纖維的纖維網(wǎng)絡(luò)，其纖維網(wǎng)均勻、致密地分布在整個包囊壁層中［10］.在包囊壁下相當(dāng)于表質(zhì)層的位置，類中間纖維聚集成一定寬度的纖維帶，由直徑10 nm左右纖維和纖維束組成，網(wǎng)絡(luò)分布不均勻，有的區(qū)域密集，還有的區(qū)域呈圓形或橢圓形的空白區(qū)，空白區(qū)大小相當(dāng)于一個細胞器所占的空間［8-9］.在細胞質(zhì)面，類中間纖維聚集成20～30 nm的纖維束伸向核纖層，或形成密集的纖維區(qū)與核纖層發(fā)生聯(lián)系［5］.以纖毛蟲經(jīng)去分化后定位于細胞中央的細胞核位置為中心，向外直達包囊壁內(nèi)緣，由核纖層、核骨架纖維和胞質(zhì)類中間纖維三者共同構(gòu)成一個貫穿整個細胞的纖維網(wǎng)絡(luò)體系［10］.

1.4 休眠細胞中核纖層—核骨架體系

不同蟲體進入休眠期后，核纖層的厚度有所不同從 30 ～50 nm 左右不等［8，10］，但基本構(gòu)成相同都由排列均勻、致密的單根或成束的纖維構(gòu)成，向內(nèi)與核骨架纖維相聯(lián)系，向外與細胞質(zhì)中的纖維相聯(lián)系［8］.在核內(nèi)，整個核骨架網(wǎng)絡(luò)較營養(yǎng)細胞的同種結(jié)構(gòu)密集得多，核骨架纖維和核纖層纖維緊密聚集或相互嵌合在一起，很難區(qū)分其中的單根纖維.冠突尾柱蟲的大核核纖層的大部分區(qū)域與胞質(zhì)中間纖維和核內(nèi)的核骨架纖維緊密聚合在一起，整個一層厚度約100 nm，該層密度較營養(yǎng)細胞的同種結(jié)構(gòu)也要高得多，且其中的纖維集成束很少見單根纖維存在.整個結(jié)構(gòu)電子密度較大，當(dāng)然偶爾也見具有高電子密度的小區(qū)，這可能是核仁所在位置［9］.

2 類中間纖維體系的功能

纖毛蟲的休眠包囊可以分為毛基體吸收型包囊、毛基體非吸收型包囊和尾柱蟲型包囊［11］.毛基體吸收型包囊的特點是具有四層包囊壁，細胞皮層內(nèi)全部吸收了毛基體、纖毛桿和微管結(jié)構(gòu)，線粒體呈聚集狀態(tài)，具融合大核等.如貽貝棘尾蟲(Stylonychia mytilus)、膜狀急纖蟲(Tachysoma pellionella)［8］等.毛基體非吸收型的特點是具二或三層壁結(jié)構(gòu)、細胞皮層內(nèi)保留有毛基體和大部分微管，大部分纖毛桿被吸收.如包囊游仆蟲(Euplotes encysticus)［10］.尾柱蟲型包囊由 Rios等在尾柱蟲科大尾柱蟲(Urostyla grandis)發(fā)現(xiàn)，其特點為在其形成包囊后，細胞皮層內(nèi)已吸收了全部纖毛桿、微管及大部分毛基體，包囊壁同樣有三層.如艾氏全列蟲(Holostricha adami)、冠突偽尾柱蟲(Pseudourostyla cristata)［9］.

(1)類中間纖維體系具有維持細胞形態(tài)、穩(wěn)定胞內(nèi)各種膜結(jié)構(gòu)，起到細胞支架的作用.

從有關(guān)膜急纖蟲(Tachysoma pellionel)［8］、冠突偽尾柱蟲(Pseudourostyla cristat)［9］、包囊游仆蟲(Euplotes encysticus)［10］、大尾柱蟲 (Urostyla grandis)［11］營養(yǎng)期和休眠期類中間纖維—核纖層—核骨架體系的報道中，我們不難發(fā)現(xiàn)對于毛基體吸收型的膜狀急纖蟲以及尾柱蟲型包囊的冠突尾柱蟲而言，纖毛蟲在形成包囊的過程中，以微管為基本形態(tài)單元的細胞骨架結(jié)構(gòu)全部瓦解，但休眠細胞中以類中間纖維為基本形態(tài)單元的類中間纖維-核纖層-核骨架體系則依然存在，并保持了與營養(yǎng)細胞中同種結(jié)構(gòu)基本相似的形態(tài).這一結(jié)果表明:在纖毛蟲中，類中間纖維—核纖層—核骨架體系是較微管結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定的細胞骨架體系.［8-9］在毛基體非吸收型包囊游仆蟲，細胞皮層內(nèi)雖保留有毛基體、大部分微管及小部分纖毛桿，但已退化或處于非功能狀態(tài).在其營養(yǎng)細胞和休眠包囊內(nèi)同樣存在著較微管結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定的類中間纖維—核纖層—核骨架體系［10］.與膜狀急纖蟲及冠突尾柱蟲細胞內(nèi)類中間纖維—核纖層—核骨架體系一樣，類中間纖維—核纖層—核骨架體系在形成毛基體非吸收型包囊纖毛蟲的營養(yǎng)細胞及其休眠包囊內(nèi)也起著穩(wěn)定細胞結(jié)構(gòu)與維持形態(tài)的作用［9-10］.

(2)類中間纖維體系所構(gòu)成的三維網(wǎng)架系統(tǒng)不僅能夠為細胞的其他組分提供附著面，還可能參與細胞內(nèi)外信息的傳遞.

冠突偽尾柱蟲休眠細胞中細胞核核纖層厚且致密，核骨架纖維網(wǎng)絡(luò)也非常密集，這可能由于休眠細胞中有更多的染色質(zhì)附著在大核核內(nèi)膜，且其他大部分染色質(zhì)相互聚集，而導(dǎo)致相應(yīng)位置的纖維結(jié)構(gòu)的聚集有關(guān)［9］.膜狀急纖蟲的電鏡觀察顯示，類中間纖維與細胞器、脂質(zhì)體、食物泡、擬糖原顆粒等緊密相連，并發(fā)出細密的纖維將上述結(jié)構(gòu)牢牢的鑲嵌和錨定在其中，由此可以推測類中間纖維與大多數(shù)膜系結(jié)構(gòu)相附著，與細胞器間存在著普遍聯(lián)系，同時與微管、微絲骨架體系也有密切連接［8］.有關(guān)包囊游仆蟲的報道中，我們可以發(fā)現(xiàn)在休眠包囊的包囊壁內(nèi)壁以及表質(zhì)層中存留有纖維體系或由纖維構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)體系，此網(wǎng)絡(luò)體系與細胞質(zhì)網(wǎng)絡(luò)體系之間由類中間纖維構(gòu)成的纖維帶隔開，與營養(yǎng)細胞迥然不同.這些纖維層或纖維網(wǎng)絡(luò)均是細胞在休眠化過程中所產(chǎn)生的次生物，通過由網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的界膜與胞質(zhì)網(wǎng)絡(luò)相連，進而通過與核纖層聯(lián)系直達細胞核內(nèi)部.此兩部分結(jié)構(gòu)以前未見報道，可能除維持細胞結(jié)構(gòu)形態(tài)之外，還與胞內(nèi)外信息的傳遞有關(guān)［11］.類中間纖維的分布并不是孤立的，而是與多種細胞器、多種細胞結(jié)構(gòu)體系相互聯(lián)系和相互作用.在組織上，中間纖維體系所構(gòu)成的三維網(wǎng)架系統(tǒng)把細胞核、細胞質(zhì)、細胞膜、細胞器維系在一起;在功能上，它為細胞通訊、核內(nèi)外信號的傳遞提供了一個結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［10］.

(3)類中間纖維體系可能還參與了染色體的功能構(gòu)建、DNA復(fù)制及基因的表達和調(diào)控

通過電泳條帶分析，大尾柱蟲［11］類中間纖維—核纖層—核骨架體系蛋白組分發(fā)生了一定的變化.休眠細胞中保留了大部分營養(yǎng)細胞中的類中間纖維—核纖層—核骨架體系蛋白組分，休眠細胞與營養(yǎng)細胞共享的蛋白條帶有23條，與電鏡觀察的該體系的整體結(jié)構(gòu)和基本形態(tài)單元在營養(yǎng)細胞和休眠細胞中具有相似性這一結(jié)果一致;同時失去了營養(yǎng)細胞中的一些組分也產(chǎn)生了自身的一些獨特組分，休眠細胞特有的蛋白條帶有1條，營養(yǎng)細胞中特有的蛋白條帶有4條，營養(yǎng)細胞中、的電泳條帶有29條.說明在纖毛蟲休眠細胞中，類中間纖維一核纖層一核骨架體系蛋白組分的變化有可能反映了細胞休眠以后基因表達狀態(tài)的改變.這些結(jié)果為深入研究細胞的代謝特征和調(diào)控機制奠定了基礎(chǔ)，對揭示細胞生命活動的特征有重要意義［8-9］.在膜狀急纖蟲及游仆蟲中觀察到類似的結(jié)果［8，10］有研究表明，類中間纖維-核纖層-核骨架體質(zhì)不僅在維持細胞形態(tài)方面具有作用，還參與了染色體的功能構(gòu)建、DNA復(fù)制及基因的表達和調(diào)控，這種調(diào)控和核骨架的蛋白組成有關(guān)，有一些骨架結(jié)合蛋白結(jié)合到核骨架上，調(diào)節(jié)基因的表達［10-11］.

［1］ 李俊剛，李藝松，顧福康.真核細胞中的中間纖維結(jié)構(gòu)、組裝和功能的研究.生命科學(xué)，2003，15(4):215-219.

［2］ 翟中和，王喜忠，丁明孝.細胞生物學(xué).北京:高等教育出版社，2007.300-306.

［3］ 朱樺，陳閱增.金黃滴蟲細胞核微絲系統(tǒng)的初步研究［J］.動物學(xué)報，1986，32:48-52.

［4］ 陳彬，蔡樹濤，翟中和.四膜蟲(Tetrahymena thermophila)核纖層的研究.實驗生物學(xué)報，1994，27(2):153-163.

［5］ 蔡樹濤，焦仁杰，史曉路，等.四膜蟲細胞的核骨架及類中間纖維.動物學(xué)報，1995，41(2):212-217.

［6］ 陳秋實，高崇明.草履蟲類核纖層蛋白的初步研究.北京大學(xué)學(xué)報，2002，38(2):276-282.

［7］ 馮磊，高崇明，李蔭蓁.眼蟲中存在中間纖維骨架體系.北京大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1999，35(4):503-507.

［8］ 李藝松，隋淑光，張莉，等.膜狀急纖蟲營養(yǎng)細胞與休眠細胞的類中間纖維-核纖層-核骨架體系［J］.動物學(xué)研究，2004，25(2):147-152.

［9］楊振云，顧?？?，倪兵，等.營養(yǎng)期和休眠期冠突偽尾柱蟲的類中間纖維核纖層-核骨架體系［J］.動物學(xué)研究，2001，22(1):85-87.

［10］倪兵，隋淑光，顧?？?包囊游仆蟲細胞的類中間纖維細胞骨架體系.華東師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，4:97-106.

［11］李俊剛.大尾柱蟲營養(yǎng)細胞與休眠細胞超微結(jié)構(gòu)和類中間纖維的比較研究.華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文［M］，2004.

［12］趙霞，劉全宏，等.細胞骨架纖維間的互相聯(lián)系.細胞生物學(xué)雜志，2008，30:191-195.

［13］焦仁杰.細胞核骨架-核纖層-中間纖維體系的研究.自然科學(xué)進展，1996，6(1):34-38.

［14］陳立，胡云英，等.整裝細胞中間纖維體系的掃描電鏡觀察.北京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1992，28(1):103-106.

［15］范彬，李蔭蓁，翟中和.衣藻(Chlamydomonas sp)中間纖維及核纖層存在的證實(簡報).實驗生物學(xué)報，1994，27(1):131-135.

［16］蘇菲，王曉，翟中和.核骨架-中間纖維系統(tǒng)的掃描電鏡研究.電子顯微學(xué)報，1988，7(1):5-11.

［17］陳彬，翟中和.核纖層研究進展.細胞生物學(xué)雜志，1995，17(1):10-14.

［18］范彬，李蔭蓁，翟中和.衣藻基體中存在類中間纖維構(gòu)成的籠狀結(jié)構(gòu).科學(xué)通報，1994，39(4):359-361.