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关于细胞骨架中微管对动植物细胞核影响的探讨
摘要
细胞骨架是指在真核细胞中的蛋白纤维网络体系，微管（Microtubule MT）是细胞骨架的重要组成成分之一。它不仅对维持细胞胞形态、保持细胞内部结构的有序性有重要作用，而且与细胞运动、物质运输、能量转化、信息传递、细胞分裂、基因表达、细胞分化等生命活动密切相关[1]。
细胞内很多基质中起作用的酶都是附着在细胞骨架上的，而生命代谢的本质基本可以认为是各种酶促反应，动植物体内的微管都是由中心体发出，在细胞内形成有组织有规则的结构，很多大分子物质如蛋白质合成过程中的分泌蛋白就是在微丝的肌动蛋白牵引下沿着微管进入高尔基体或其它细胞器，由此可得，微管对细胞的组织层次至关重要，甚至构成细胞分裂分化的结构基础。
关键词
细胞骨架，细胞固定，微管，微管套，嘉庚蛸精细胞，小鼠精细胞，小麦幼苗根尖细胞，紫外辐射（UV-B）。
我们在研究观察细胞骨架时常用的细胞固定液有：戊二醛、多聚甲醛、乙醇、甲醛、丙酮等。由于不同固定液固定细胞效果不同，因此应该根据试验样本及目的选择合适的固定液[2]。以下为利用这些固定方法和免疫荧光-激光共聚焦显微技术及透射电镜技术观测头足类动物嘉庚蛸精细胞和小麦幼苗根尖细胞在不同实验条件下微管排列方式及其对细胞核和染色质的影响。
微管对嘉庚蛸精细胞核影响的研究
细胞骨架分布有一定的规则性和方向性，复杂程度高。在哺乳动物精细胞分化过程中，微管及微管依赖蛋白参与了精子顶体的形态建成，由于头足类动物精子发生过程与哺乳动物镜子发生过程具有相似性，采用嘉庚蛸研究微管在头足类动物精子发生过程中的分布特征，对探究微管依赖蛋白在精子发生过程中作用的分子机制具有重要指导意义。
头足类动物精细胞分化形成精子过程中，核从圆形演变成长圆柱形或长螺旋形，核的形态变化与核周围微管的活动，密切相关。微管是由微管蛋白装配成的长管状结构，是真核生物细胞骨架的主要组成部分；是依赖于微管的驱动蛋白的运输通道。利用免疫荧光-激光共聚焦显微技术及透射电镜技术观察了嘉庚蛸精子形成过程中微管的分布特征及其作用，结果表明：精细胞早期，核呈圆形或卵圆形，核内染色质由团块状趋向颗粒状均布，或部分凝集成絮状，核周围无微管套结构，且微管不均匀分布；精细胞中期，核呈橄榄形，核内染色质呈颗粒状或絮状，微管在核周围均匀分布，形成微管套；精细胞后期，核呈长梭形，核内染色质呈纤维状，微管套紧贴核周围；未成熟精子，核呈长柱状，核内染色质致密均布，微管套仍紧密围绕核周；成熟精子，核周微管结构消失。嘉庚蛸精子形成过程中微观结构有一个动态变化过程，由此可推测微管套可能在核的形态发生过程中发挥重要作用，由于微管套只在精细胞核形变过程中存在和起作用，因此，微管套可能通过特殊的途径参与核内染色质的浓缩[3]。具体机制还有待进一步研究。
精细胞分化形成精子过程中，微管系统发挥重要作用。形态学和分子生物学研究表明，微管套不仅可能参与精子顶体的生物发生，而且还可能参与精核的形态建成[4]。
郭睿等[5]利用免疫荧光FLTC/DAPI共染技术研究分析了小鼠精细胞变态成形过程中微管套结果变化及其作用，微管套在圆形精细胞核变形延伸的起始阶段形成，并随着精细胞核的浓缩和变长逐渐向精细胞尾部移位，直至精子变态成形后消失，微管套结构的形成和消失与精细胞核的浓缩及延伸同步，其形态变化和位置的改变与精细胞核形态学变化吻合，由于微管套始终与核紧密接触直至核的形变过程结束，由此认为微管套是引导精子细胞核浓缩、变形、延伸的重要结构。同时，kierszenbaum相关分子蛋白研究还表明，微管套结构还参与了鞭毛和轴丝的发生。
若能阐明微管及其相关蛋白的特性和功能，将有可能揭示精细胞核形态变化的机制。在嘉庚蛸精子顶体反应过程的研究中，发现了顶体锥的存在以及精核的囊泡化现象[6]。该现象是否与微管套相关还有待进一步研究。
紫外辐射UV-B对小麦根尖细胞骨架的影响
微管在植物细胞中参与维持细胞形态、染色体迁移、细胞有丝分裂、细胞壁构建和信号转导等生理过程[7]，能对外界作出敏感反应。
以小麦幼苗根尖为材料，采用间接免疫荧光标记技术并结合激光共聚焦扫描显微系统，研究增强紫外线B（ultraviolet-B，UV-B）辐射对小麦根尖细胞微管骨架的影响，为进一步研究微管骨架与“分束分裂”的关系打下基础。研究表明，小麦根尖分裂过程中微管骨架排列呈现一定的周期性，对照组中微管周期结构明显清晰，荧光较强。而增强UV-B辐射处理的小麦根尖细胞中，其微管结构紊乱，周质微管骨架定向发生改变，或解聚呈片段或点状分布；出现两条早期的异常结构，纺锤体微管聚集，末期成膜体弥散或缺失。
该研究表明，增强UV-B辐射使微观结构出现异常列阵，且与对照组相比达到了显著水平，使细胞周质微管的空间发生改变，由原本平行排列变为紊乱分布，同时出现断裂和解聚现象。周质微管直接或间接地维持细胞的空间结构，即决定细胞的形状，且它与质膜相连接，起着稳定质膜的作用[8]，周质微管发生断裂和解聚，更加重了UV-B对细胞屏障——质膜的损伤，而这必然会降低细胞内各种细胞器和细胞结构的稳定性，破坏细胞内外物质交换平衡及细胞内物质的代谢，使植物生理功能发生障碍，从而使植物抗逆境能力下降。
纺锤体的主要功能是牵引染色体，支配染色体的移动。增强UV-B辐射使纺锤体微管结构损伤，聚集成棒，直接影响染色体与纺锤体的结合，在染色体分配的关键时刻易使其聚集或丢失，这很可能导致细胞中形成落后染色体、染色体桥甚至可能使染色体像微管一样聚集成束而形成“分束分裂”细胞。增强UV-B辐射还使细胞在分裂末期没有成膜体微管，而不能控制细胞核物质沉积，这样在子细胞中无法构成新的细胞壁，最终导致细胞产生多核现象[9]。因此，增强UV-B辐射不仅改变了微管结构，还使其分布发生改变。在细胞分裂中微管与染色体的关系密切，微管分布发生改变直接影响染色体的分布，这些都可能导致细胞分裂发生异常而形成“分束分裂”，最终改变细胞的遗传性质。完整的细胞微管骨架是信号转导所必需的，如果微管受到干扰，依赖细胞骨架进行的信号转导反应也会受到干扰或终止发生。
相关文献
[1] 翟中和，王喜忠，丁明存。细胞生物学，第三版。北京：高等教育出版社；2007，280-9.[2] 张维，骞爱荣，高翔。细胞骨架染色中不同固定方法的探讨。中国细胞生物学学报。2010；32(1)：149-153.[3] 俞鹤明，王伟，竺俊全。嘉庚蛸精子形成过程中微管的分布特征及作用分析。中国细胞生物学学报。2010；32(2)：251-255.[4] SabatiniDD，BenschK,BarrnettRJ,Cytochemisty and electron microscopy the preservation of cellular ultrastructure and enzymatic activity by aldelyde fixation..J Cell Biol 1963;17(1):19-58.[5] 郭睿，闫萍，李喜霞，张栋。小鼠精子细胞变态成型过程中manchette的免疫荧光染色分析。解剖学报2008；39(6)：881-5.[6] Gimenez-Bonafe’ P,RibesE,Zamora MJ,Kasinsky HE,Chiva M.Evolution of octopod Sperm I:Comparison of nuclear morphogenesis in Eledone and Octopas.Mol Reprod Dev 2002;62(3):357-62.[7] 徐是雄，朱徽。植物细胞骨架。北京：科学出版社，1996，60-83，94-104.[8] Jung G，Hellman A，Wernickcw。Change in the density of microtubular networks in mesophyII cells and mesophyII derived protoplasts of Nicotiana and Triticum during Leaf development，Planta 1993；190(1)：10-16.[9] 郭爱华，高丽美，李永锋，翟菁如。增强紫外线B辐射对小麦根尖细胞微管骨架的影响。中国细胞生物学学报。2010；32(2)：256-260.
