纤毛虫营养期与休眠期类中间纤维体系功能初探

蔡兴隆

(哈尔滨师范大学)

0 引言

中间纤维-核纤层-核骨架体系广泛存在于高等真核细胞中，这一体系对细胞生命活动起到多方面的重要作用.其中中间纤维(intermediate filament，IF)又称中间丝，直径为10nm的绳索状结构，最早是在平滑肌细胞内发现.根据IF的氨基酸序列的差异可把IF分为Ⅵ类［1-2］，其中上皮细胞中的Ⅰ型(酸性)和Ⅱ型(中性和碱性)角蛋白(keratin)，Ⅲ型中间纤维，如波形蛋白(vimentin，又称波形丝蛋白)以及细胞核内的核纤层蛋白A/C、B1、B2，研究的较为深入.

IF的功能可概括为三个方面:1.保持细胞内结构的机械完整性，起到细胞支架的功能.2.IF的表面区为蛋白质及细胞的其他组分提供附着面.3.通过改变自身组分，与特定序列DNA、组蛋白、磷酸酯发生显著生化作用.［1］在低等单细胞真核生物细胞骨架研究中，自Flickinger在大变形虫(Amoeba proteus)的细胞核中发现复杂的蜂窝状结构，此后被确定为类中间纤维类核纤层细胞骨架以来，在鞭毛虫金黄滴虫(Ochromonas danica)［3］、四 膜 虫 (Tetrahymenathermophila)［4-5］、尾草履虫(Paramecium caudatum)［6］小眼虫(Euglena gracilis)［7］等中证实了这类结构的存在，同时在膜状急纤虫(Tachysoma pellionella)、冠突尾柱虫(Euplotes encysticus)及包囊游仆虫(Pseudourostyla cristat)、大尾景虫(Urostyla grandis)的营养期和休眠期也发现了这种类中间纤维-核纤层-核骨架体系.

1 纤毛虫营养细胞与休眠细胞中类中间纤维—核纤层—核骨架体系分布

1.1 营养细胞胞质中类中间纤维的分布

在相当于原细胞质的区域中，类中间纤维呈网络状，向内与核纤层发出纤维连接，向外直达细胞周缘［8］.在网络的周缘，相当于细胞表膜下表质层位置，具一个包绕内周缘封闭的纤维层，该层由多根纤维所组成的纤维束构成.在不同部位网络的密度不尽一致，其中含有直径10 nm左右的类中间纤维为疏松区，含有直径10～30 nm的类中间纤维或纤维束为致密区［5］.在皮层细胞质深部，类中间纤维的区域化特程度更加明显［9］.类中间纤维在细胞器和细胞质内含物丰富的区域外缘较紧密地聚集，形成纤维束或纤维带.在邻近位置的类中间纤维形成较松散的网.

1.2 营养细胞中核纤层—核骨架体系

在细胞核位置，核纤层-核骨架体系形成密集的纤维网.在核内周缘，核纤层纤维相互聚集成绳索状或条带状，以直径为10 nm左右的纤维组合成致密片层，整个核纤层厚度约为50 nm左右［10］.以核纤层为中心向外发射许多纤维或纤维束与胞质类中间纤维相连接，向内与核骨架纤维相联系.细胞核内为直径约10 nm的核骨架纤维网络，整个网络纤维分布并不均匀，也分为疏松区和致密区，但在靠近核纤层的区域纤维的密集程度最大［8］.同种细胞相比，核骨架纤维明显要比细胞质类中间纤维构成的网络密集，同时也具有较高的机械强度［11］.

1.3 休眠细胞类中间纤维的分布

在休眠细胞中，包囊壁分为外层壁和内层壁.在内层壁中观察到相似于类中间纤维的纤维网络，其纤维网均匀、致密地分布在整个包囊壁层中［10］.在包囊壁下相当于表质层的位置，类中间纤维聚集成一定宽度的纤维带，由直径10 nm左右纤维和纤维束组成，网络分布不均匀，有的区域密集，还有的区域呈圆形或椭圆形的空白区，空白区大小相当于一个细胞器所占的空间［8-9］.在细胞质面，类中间纤维聚集成20～30 nm的纤维束伸向核纤层，或形成密集的纤维区与核纤层发生联系［5］.以纤毛虫经去分化后定位于细胞中央的细胞核位置为中心，向外直达包囊壁内缘，由核纤层、核骨架纤维和胞质类中间纤维三者共同构成一个贯穿整个细胞的纤维网络体系［10］.

1.4 休眠细胞中核纤层—核骨架体系

不同虫体进入休眠期后，核纤层的厚度有所不同从 30 ～50 nm 左右不等［8，10］，但基本构成相同都由排列均匀、致密的单根或成束的纤维构成，向内与核骨架纤维相联系，向外与细胞质中的纤维相联系［8］.在核内，整个核骨架网络较营养细胞的同种结构密集得多，核骨架纤维和核纤层纤维紧密聚集或相互嵌合在一起，很难区分其中的单根纤维.冠突尾柱虫的大核核纤层的大部分区域与胞质中间纤维和核内的核骨架纤维紧密聚合在一起，整个一层厚度约100 nm，该层密度较营养细胞的同种结构也要高得多，且其中的纤维集成束很少见单根纤维存在.整个结构电子密度较大，当然偶尔也见具有高电子密度的小区，这可能是核仁所在位置［9］.

2 类中间纤维体系的功能

纤毛虫的休眠包囊可以分为毛基体吸收型包囊、毛基体非吸收型包囊和尾柱虫型包囊［11］.毛基体吸收型包囊的特点是具有四层包囊壁，细胞皮层内全部吸收了毛基体、纤毛杆和微管结构，线粒体呈聚集状态，具融合大核等.如贻贝棘尾虫(Stylonychia mytilus)、膜状急纤虫(Tachysoma pellionella)［8］等.毛基体非吸收型的特点是具二或三层壁结构、细胞皮层内保留有毛基体和大部分微管，大部分纤毛杆被吸收.如包囊游仆虫(Euplotes encysticus)［10］.尾柱虫型包囊由 Rios等在尾柱虫科大尾柱虫(Urostyla grandis)发现，其特点为在其形成包囊后，细胞皮层内已吸收了全部纤毛杆、微管及大部分毛基体，包囊壁同样有三层.如艾氏全列虫(Holostricha adami)、冠突伪尾柱虫(Pseudourostyla cristata)［9］.

(1)类中间纤维体系具有维持细胞形态、稳定胞内各种膜结构，起到细胞支架的作用.

从有关膜急纤虫(Tachysoma pellionel)［8］、冠突伪尾柱虫(Pseudourostyla cristat)［9］、包囊游仆虫(Euplotes encysticus)［10］、大尾柱虫 (Urostyla grandis)［11］营养期和休眠期类中间纤维—核纤层—核骨架体系的报道中，我们不难发现对于毛基体吸收型的膜状急纤虫以及尾柱虫型包囊的冠突尾柱虫而言，纤毛虫在形成包囊的过程中，以微管为基本形态单元的细胞骨架结构全部瓦解，但休眠细胞中以类中间纤维为基本形态单元的类中间纤维-核纤层-核骨架体系则依然存在，并保持了与营养细胞中同种结构基本相似的形态.这一结果表明:在纤毛虫中，类中间纤维—核纤层—核骨架体系是较微管结构更为稳定的细胞骨架体系.［8-9］在毛基体非吸收型包囊游仆虫，细胞皮层内虽保留有毛基体、大部分微管及小部分纤毛杆，但已退化或处于非功能状态.在其营养细胞和休眠包囊内同样存在着较微管结构更为稳定的类中间纤维—核纤层—核骨架体系［10］.与膜状急纤虫及冠突尾柱虫细胞内类中间纤维—核纤层—核骨架体系一样，类中间纤维—核纤层—核骨架体系在形成毛基体非吸收型包囊纤毛虫的营养细胞及其休眠包囊内也起着稳定细胞结构与维持形态的作用［9-10］.

(2)类中间纤维体系所构成的三维网架系统不仅能够为细胞的其他组分提供附着面，还可能参与细胞内外信息的传递.

冠突伪尾柱虫休眠细胞中细胞核核纤层厚且致密，核骨架纤维网络也非常密集，这可能由于休眠细胞中有更多的染色质附着在大核核内膜，且其他大部分染色质相互聚集，而导致相应位置的纤维结构的聚集有关［9］.膜状急纤虫的电镜观察显示，类中间纤维与细胞器、脂质体、食物泡、拟糖原颗粒等紧密相连，并发出细密的纤维将上述结构牢牢的镶嵌和锚定在其中，由此可以推测类中间纤维与大多数膜系结构相附着，与细胞器间存在着普遍联系，同时与微管、微丝骨架体系也有密切连接［8］.有关包囊游仆虫的报道中，我们可以发现在休眠包囊的包囊壁内壁以及表质层中存留有纤维体系或由纤维构成的网络体系，此网络体系与细胞质网络体系之间由类中间纤维构成的纤维带隔开，与营养细胞迥然不同.这些纤维层或纤维网络均是细胞在休眠化过程中所产生的次生物，通过由网络构成的界膜与胞质网络相连，进而通过与核纤层联系直达细胞核内部.此两部分结构以前未见报道，可能除维持细胞结构形态之外，还与胞内外信息的传递有关［11］.类中间纤维的分布并不是孤立的，而是与多种细胞器、多种细胞结构体系相互联系和相互作用.在组织上，中间纤维体系所构成的三维网架系统把细胞核、细胞质、细胞膜、细胞器维系在一起;在功能上，它为细胞通讯、核内外信号的传递提供了一个结构基础［10］.

(3)类中间纤维体系可能还参与了染色体的功能构建、DNA复制及基因的表达和调控

通过电泳条带分析，大尾柱虫［11］类中间纤维—核纤层—核骨架体系蛋白组分发生了一定的变化.休眠细胞中保留了大部分营养细胞中的类中间纤维—核纤层—核骨架体系蛋白组分，休眠细胞与营养细胞共享的蛋白条带有23条，与电镜观察的该体系的整体结构和基本形态单元在营养细胞和休眠细胞中具有相似性这一结果一致;同时失去了营养细胞中的一些组分也产生了自身的一些独特组分，休眠细胞特有的蛋白条带有1条，营养细胞中特有的蛋白条带有4条，营养细胞中、的电泳条带有29条.说明在纤毛虫休眠细胞中，类中间纤维一核纤层一核骨架体系蛋白组分的变化有可能反映了细胞休眠以后基因表达状态的改变.这些结果为深入研究细胞的代谢特征和调控机制奠定了基础，对揭示细胞生命活动的特征有重要意义［8-9］.在膜状急纤虫及游仆虫中观察到类似的结果［8，10］有研究表明，类中间纤维-核纤层-核骨架体质不仅在维持细胞形态方面具有作用，还参与了染色体的功能构建、DNA复制及基因的表达和调控，这种调控和核骨架的蛋白组成有关，有一些骨架结合蛋白结合到核骨架上，调节基因的表达［10-11］.

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