第三节 中间丝

中间丝又称中间纤维( (intermediate filament，IF)，最初是在平滑肌细胞内发现的直径为10mm的绳索状结构。因其粗细介于肌细胞的粗肌丝和细肌丝之间，故命名为中间丝(图8-36)。中间丝存在于绝大多数动物细胞内。细胞质中间丝通常是围绕细胞核开始组装，并伸展到细胞边缘与细胞质膜上的细胞连接如桥粒、半桥粒等结构相连。通过细胞连接，中间丝将相邻的细胞连成体。在核膜的内侧，由核纤层蛋白( lamin)组装而成的纤维以正交网状形式排列构成核纤层，并通过位于内层核膜上的核纤层蛋白B受体与核膜相连。中间丝结构较微管和微丝稳定得多，用高盐溶液和非离子去垢剂处理细胞时，构成细胞骨架的微管和微丝，以及其他细胞结构基本上都被除去，但中间丝因有很强的抗抽提能力而被保存下来。

与微管和微丝不同，中间丝并不是所有真核细胞所必需的结构组分。这类蛋白质在高等脊椎动物中最为复杂，而在植物基因组内尚未发现编码中间丝蛋白的基因，在酵母的核膜内侧也不存在核纤层结构。在线虫细胞中表达的某些中间丝蛋白与角蛋白有较高的相似性，但具有外骨骼的动物，如果蝇仅仅表达两种类型的核纤层蛋白，却没有细胞质中间丝。在人类基因组中共有70个编码中间丝蛋白的基因，其中大部分是在上皮细胞中表达的角蛋白基因(54种)。在人体中也有一些组织细胞，如神经系统的少突胶质细胞，它们的细胞质部分形成包绕神经轴突的髓鞘，也没有观察到细胞质内有中间丝结构。

一、中间丝的主要类型和组成成分

中间丝的组成成分比微丝和微管要复杂得多，不同组织来源的细胞表达不同类型的中间丝蛋白(表8-2)。根据中间丝蛋白的氨基酸序列、基因结构、组装特性以及在发育过程的组织特异性表达模式等，可将中间丝分为6种主要类型。Ⅰ型(酸性)和Ⅱ型(中性和碱性)角蛋白( keratin)在上皮细胞内以异源二聚体的形式参与中间丝的组装；而Ⅲ型中间丝，如波形蛋白( vimentin)、结蛋白( desmin)、微管成束蛋白( syncoilin)、胶质丝酸性蛋白( (glial filament acidic proteIn，gfap)与外周蛋白( ( peripherin)，则通常组装成同源多聚体。波形蛋白在源于中胚层的细胞和发育早期的一些外胚层细胞中表达，且常在结蛋白GFAP和神经丝蛋白等一些有分化特异性的中间丝蛋白表达之前形成网络。Ⅳ型中间丝蛋白包括3种神经丝蛋白亚基(NF-L、NF-M和NF-H)，a-丝联蛋白(a- -internexin)，神经上皮干细胞蛋白( nestin)，联丝蛋白( (synemin-a)和 desmuslin等成员，他们大部分在神经系统中表达，其中神经上皮干细胞蛋白是神经干细胞的标志蛋白，而联丝蛋白α和 desmuslin在肌细胞中表达。核纤层蛋白AC与核纤层蛋白B1和B2同属于V型中间丝蛋白，其中核纤层蛋白B在人体所有细胞中均表达，而核纤层蛋白A只在原肠胚形成后分化的细胞中表达。CP49和晶状体丝蛋白( filensin)/CP115是在眼睛的晶状体中表达的两个中间丝蛋白，它们拥有中间丝蛋白所共有的一些结构特征，但由于螺旋终止序列等结构域上存在明显的差异，使这两个蛋白共组装成“念珠状纤维”，在电镜下呈波浪形的外观。由此，将这两个成员归入Ⅵ型中间丝蛋白家族(表8-2)。这种结构可能与晶状体必须具有足够的刚性和弹性，以及尽量地透明等特性有关。改变这两种蛋白的表达将损害晶状体的功能，CP49突变将导致家族性白内障。在人类基因组中至少包含70种不同的中间丝蛋白基因，组成了人类基因组中最大的基因家族之一。这种中间丝蛋白的多样性与人体内200多种细胞类型相关，这些细胞所表现的不同功能和机械性能又与其特殊的细胞骨架成分密切相关，因此，中间丝蛋白被认为是区分细胞类型的身份证。中间丝为多种细胞类型提供了独特的细胞骨架网络结构，在其N端和C端序列上的差异为不同的细胞类型提供了独特的细胞质环境，而核纤层蛋白则在核膜内侧形成纤维网络。

不同种类的中间丝蛋白有非常相似的二级结构。作为中间丝蛋白的重要结构特征，细胞质中间丝蛋白的中部都有一段由约310个氨基酸残基组成的高度保守的杆状区，其两侧是变化很大的头部和尾部。中间丝蛋白杆状区长度约47m，该区域被插入了3个β片层结构，将4段卷曲螺旋( coiled-coil)结构域分隔开。其中L12将整个杆状区分成螺旋1和螺旋2。螺旋1和螺旋2的长度各约22mm，螺旋1和螺旋2又分别被L1和L2隔为A、B两个亚区，4个卷曲螺旋区间分别被称为1A与1B和2A与2B(图8-37)。每段螺旋区的氨基酸序列严格按照每7个氨基酸(a-g)一组重复排列，其中a和d为亲水性氨基酸。这样形成的α螺旋结构的表面有个疏水性的沟槽，供二聚体组装时发挥作用。V型中间丝蛋白在其1B区增加了6组(42个)氨基酸残基的重复，其杆状区的长度为352个氨基酸残基。

中间丝的核心部分直径为10mm左右，主要由中间丝蛋白的杆状区构成。中间丝蛋白的头部和尾部结构域参与中间丝的组装，较长的尾部结构域大多突出于中间丝的核心纤维之外，中间丝22mm或48mm的纵向周期与末端区域形成的突出有关。由中间丝伸出的末端区域可能和中间丝与细胞结构的相互作用有关。不同类型的中间丝的末端结构域变化较大。在电镜下观察到的波形纤维是表面比较光滑的丝状结构，而神经丝在神经突起内部平行排列成束状结构，NF-M和NF-H的C端突出于神经丝的表面，并在相邻的神经丝之间，神经丝和微管等其他细胞结构之间形成横桥，将神经突起内的微管和中间丝网络连成一体

二、中间丝的组装与表达

与微管和微丝的组装过程不同，中间丝蛋白在合适的缓冲体系中能自组装成10mm的丝状结构。中间丝的组装首先是两个单体的杆状区以平行排列的方式形成双股螺旋的二聚体。该二聚体可以是同型二聚体( homodimer)，如波形蛋白、GFAP等，但如果是角蛋白，则肯定是一条Ⅰ型角蛋白和另一条Ⅱ型角蛋白构成异型二聚体( (heterodimer)。二聚体的长度约50mm。然后是两个二聚体以反向平行和半分子交错的形式组装成四聚体( (tetramer)。四聚体可能是中间丝组装的最小结构单位。由于四聚体是由两个二聚体以反向平行的方式组装而成，因此没有极性。作为中间丝组装的基本结构单位，四聚体之间在纵向(首尾)和侧向相互作用，最终组装成横截面为32个中间丝蛋白分子、长度不等的中间丝。中间丝的主干主要是由中间丝蛋白的杆状区构成，其N端和C端结构域除了在中间丝的组装过程中发挥作用之外，还是与细胞的其他结构组分相互作用的主要位点(图8-38)

中间丝的装配与解聚和微丝与微管的动态特征有所不同，并不表现为典型的踏车行为，也不需要ATP或GTP参与。

向细胞内注射荧光标记的中间丝蛋白，然后观察中间丝的组装过程，结果显示新加入的中间丝蛋白可以在已经存在的中间丝的多个位点加入，而不是像微管和微丝那样仅仅在末端加入。随着时间的延长，整个中间丝上都显示荧光标记。可见中间丝的组装模式与微管和微丝完全不同，在细胞内新的中间丝蛋白可以通过交换的方式掺入到原有的纤维中去。用胰蛋白酶处理体外培养的成纤维细胞，在细胞变圆的同时，细胞内的中间丝网络解聚。在除去胰蛋白酶以后，新的中间丝似乎从细胞核的周围开始组装，并向细胞边缘延伸，这时的中间丝好像是从头开始组装，新的中间丝蛋白会加到纤维的末端使纤维延长。

在细胞周期的运行过程中，细胞质中间丝网络在细胞分裂前解体，分裂结束后又重新组装。中间丝的解聚和重新组装过程与中间丝蛋白亚基的磷酸化和去磷酸化有关。有丝分裂前即将去组装的中间丝被磷酸化，然后中间丝上被磷酸化的蛋白亚基与14-3-3蛋白结合，导致中间丝网络解体。分裂结束后，中间丝蛋白的可溶性组分发生去磷酸化，14-3-3蛋白从中间丝蛋白亚基上脱落，中间丝蛋白重新参与中间丝网络的组装。

在细胞分化过程中，中间丝的类型随着细胞的分化过程而发生变化。如在小鼠胚胎发育过程中，最初胚胎细胞中表达的中间丝蛋白是角蛋白，待胚胎发育到第8~9天，在将要发育为间叶组织的细胞中，角蛋白表达量下降直至停止表达，取而代之的是波形蛋白的表达。类似的表达谱变化还见于神经外胚层的发育中，首先表达的是角蛋白，第11天左右，角蛋白停止表达，波形蛋白出现，随后是神经上皮干细胞蛋白表达。当神经干细胞最终分化成神经元和神经胶质细胞时，神经前体细胞内波形蛋白和神经上皮干细胞蛋白停止表达，改为表达神经丝蛋白。作为中枢神经系统中数量众多的星形胶质细胞通常同时表达波形蛋白和胶质纤维酸性蛋白，它们可以共同组装成中间丝，而在一些有丝分裂失控的胶质细胞瘤细胞内可以重新检测到神经上皮干细胞蛋白的表达。由此可见，胚胎细胞能根据其发育方向调节中间丝蛋白基因的表达。在一种类型的中间丝蛋白向另一种类型的中间丝蛋白转变的过程中，新的蛋白似乎是通过交换的方式掺入到原来的中间丝网络中去。

三、中间丝与其他细胞结构的联系

电镜观察所得到的图像信息显示，中间丝在胞质中组装成发达的网络结构，并与细胞质膜上特定的部位(如桥粒)连接，然后通过一些跨膜蛋白(如钙黏蛋白和整联蛋白)与细胞外基质，甚至是相邻细胞的中间丝间接相连。在细胞的内部，许多细胞质中间丝源自细胞核的周缘，并且与核膜有联系。由V型中间丝蛋白组装而成的核纤层在核膜的内侧呈正交网状结构(图8-39)。核纤层与内层核膜上的核纤层蛋白受体相连，从而成为核膜的重要支撑结构。此外，核纤层还是染色质的重要锚定位点。

在细胞分裂前期，核纤层结构解聚，核膜也随之

解体，核纤层蛋白A以可溶性单体形式弥散在细胞中；而核纤层蛋白B则与核膜解体后形成的核膜小泡保持结合状态。分裂末期，结合有核纤层蛋白B的核膜小泡在染色质周围聚集，并渐渐融合形成新的核膜，而核纤层蛋白则在核膜的内侧组装成子细胞的核纤层。这一过程有赖于核纤层蛋白与染色质之间的相互作用。细胞分裂过程中核纤层的解体和重新组装与核纤层蛋白的磷酸化水平相关，提示有丝分裂促进因子(MPF)的p34是核纤层蛋白B的激酶。在有丝分裂前期，MPF可以使核纤层蛋白B的Ser22和Ser392磷酸化，这两个丝氨酸残基分别位于其头部和尾部结构域，磷酸化导致这两个与中间丝组装直接相关的结构域的构象发生变化，从而导致核纤层解聚。采用点突变方法改变这些磷酸化位点可干扰核纤层及核膜结构的解体。在有丝分裂的末期，结合在核膜小泡上的核纤层蛋白B的磷酸基被磷酸酶去除，小泡在染色质周围聚集并融合，去磷酸化后的核纤层蛋白B的头部和尾部的构象回复到能发生自组装的状态。可见，核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化可能是有丝分裂过程中核纤层结构动态变化的调控因素。

核纤层蛋白的缺失或突变与多种人类遗传性疾病相关。A型核纤层蛋白的突变引起脂肪代谢障碍，外周神经退化，并出现早衰症状。在所有的哺乳动物细胞中都有B型核纤层蛋白的表达，尽管没有在人体细胞中发现该蛋白的突变体，但在小鼠体内表达核纤层蛋白B1的缺失突变体会引起胚胎发育异常，并且在出生后死亡。因此，B型核纤层蛋白基因的突变很可能是胚胎致死的。在体外培养的细胞中去除核纤层蛋白，会影响核膜的结构，使其很容易在机械力的作用下破裂。然而，由核纤层蛋白基因变异所导致的疾病似乎并不全与机械力的作用相关，还有许多未知的因素。

细胞质中间丝在那些受机械应力作用的组织细胞中特别丰富。处于不同分化阶段的上皮细胞表达不同类型的I型及Ⅱ型角蛋白，不同种类的角蛋白具有不同的头部和尾部。可见不同的上皮细胞在表达的角蛋白种类上的差异与细胞所担负的使命相关。上皮细胞中的中间丝往往贯穿整个细胞，其末端与细胞质膜上特定的区域，特别是桥粒和半桥粒结构相连，而暴露在中间丝表面的角蛋白的头部和尾部结构域则与细胞质中的其他组分相结合。中间丝通过桥粒将上皮组织中的各个细胞连成体，以分散皮肤所受外力的作用。有关基因的突变将干扰中间丝的组装，影响细胞之间的相互作用，如单纯大疱性表皮松懈症与编码角蛋白5和14的基因突变有关，患者的皮肤只要受到轻微的外力作用就会发生破裂，出现水泡。桥粒结构的受损或编码相关蛋白的基因突变同样会导致上皮组织结构的严重破坏。

中间丝除了与桥粒等细胞结构相互作用外，还有些中间丝结合蛋白如网蛋白( (plectin)，能将相邻的中间丝组织成束，还能将中间丝与细胞内的微丝、微管以及其他的细胞结构相连接，从而发挥作用。网蛋白基因的变异同样引起上皮组织及神经系统等多种人类疾病。网蛋白基因敲除小鼠在出生后数天死亡。

在神经元内，NF-M和NF-H的尾部结构域突出于神经丝的表面，在与之相邻的神经丝、微管以及些膜性结构之间形成横桥，将轴突内部的细胞骨架等结构连成一体，为这个细长的细胞突起提供必要的内部支撑。波形蛋白和胶质纤维酸性蛋白是星形胶质细胞中间丝的主要成分，敲除编码这两种蛋白的基因，将导致星形胶质细胞的一些功能如细胞的迁移能力和脑受伤后形成胶质疤痕的能力受损。可见中间丝与细胞其他结构组分的相互作用对于维持组织的整体功能是非常重要的。