细胞骨架
-
基本定义与构成
细胞骨架是细胞内一个由蛋白质纤维交织而成的动态三维网络结构。它并非坚硬不变的“骨架”，而是一个高度动态、持续组装和解聚的系统。其主要由三类纤维构成：微管（直径约25纳米）、微丝（直径约7纳米）和中间纤维（直径约10纳米）。这三种成分在结构、化学组成和功能上各不相同，共同支撑起细胞的形态，并负责细胞内的物质运输、细胞运动和细胞分裂等关键生命活动。 -
三类主要纤维的详细解析
- 微管：由α和β微管蛋白异二聚体首尾相接组装成的中空管状结构。它是三类纤维中最粗的，通常从细胞中心的一个称为“微管组织中心”的区域向外辐射生长。微管功能包括：1）作为细胞内轨道，由驱动蛋白和动力蛋白等“马达蛋白”携带囊泡、细胞器等沿其运输；2）在细胞分裂期形成纺锤体，牵引染色体分离；3）构成纤毛和鞭毛的核心轴丝结构，驱动细胞运动。
- 微丝：主要由球状肌动蛋白单体聚合而成的双股螺旋细丝。它最富动态变化，其组装和解聚能快速重塑。功能包括：1）在细胞皮层（质膜下方）形成致密网络，维持细胞形状并产生运动，如细胞爬行、吞噬；2）形成收缩环，在细胞分裂末期使母细胞“掐断”为两个子细胞；3）与肌球蛋白相互作用，构成肌肉收缩的基本单元。
- 中间纤维：由多种类型的纤维状蛋白（如角蛋白、波形蛋白、核纤层蛋白）组成，是机械强度最高、最稳定的一类。它不具备极性，也没有相关的马达蛋白。主要功能是提供机械支撑，帮助细胞抵抗外部压力，将细胞器和细胞核锚定在特定位置，并通过桥粒等连接结构在组织水平上传递张力。
-
细胞骨架的核心功能与调控机制
细胞骨架的功能远超静态支撑，它实质上是细胞的“骨骼肌”和“物流系统”。其核心功能整合如下：1）形态维持与机械支持：为细胞提供结构框架，决定细胞形状；2）细胞运动：包括整体细胞迁移（依赖微丝前沿的聚合和收缩）以及纤毛/鞭毛摆动（依赖微管的滑动）；3）细胞内运输：微管构成的“高速公路”系统确保蛋白质、RNA、细胞器等精准定向转运；4）细胞分裂：微管形成纺锤体，微丝形成收缩环，二者协同完成有丝分裂和胞质分裂；5）信号传导：骨架蛋白可作为信号分子的支架或调节器，整合机械和化学信号。
所有这些功能都受到精密调控。调控机制包括：蛋白的磷酸化/去磷酸化修饰、GTP/GDP结合状态（对微管）、钙离子浓度（对微丝）、以及数百种辅助蛋白（如微管相关蛋白MAPs、肌动蛋白结合蛋白）的协同作用，它们能稳定、切割、交联或解聚纤维，实现骨架网络的动态重构。 -
与人类疾病的关联
细胞骨架的功能紊乱与多种疾病密切相关。例如：1）神经系统疾病：阿尔茨海默病中， Tau蛋白异常磷酸化导致微管不稳定，神经纤维缠结形成；肌萎缩侧索硬化症可能与神经微丝运输障碍有关。2）癌症：细胞骨架的异常驱动癌细胞迁移和侵袭（转移），细胞形态和运动能力改变是其标志之一。3）遗传性疾病：某些角蛋白基因突变导致皮肤脆性增加（如大疱性表皮松解症）；动力蛋白或驱动蛋白突变可影响神经元内运输，导致遗传性周围神经病。4）感染性疾病：许多病原体（如李斯特菌、病毒）劫持或重构宿主细胞骨架以利于自身入侵、移动和传播。 -
研究工具与医学应用前景
研究细胞骨架常用特异性药物（如紫杉醇稳定微管、细胞松弛素破坏微丝）和荧光标记技术进行活细胞观察。医学应用上，以微管为靶点的化疗药物（如紫杉醇、长春新碱）已广泛应用于癌症治疗。未来，针对细胞骨架动态调节蛋白（如形成伪足所需的Arp2/3复合物）开发新型抑制剂，可能为抑制癌症转移、治疗神经退行性疾病或自身免疫病提供新策略。对细胞骨架力学特性的深入理解，也在组织工程和再生医学中指导设计更仿生的细胞生长支架。