激光原子力显微镜观察肌动蛋白体外自组织纤维结构多态性的初步研究

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激光生物学报  第13 卷第4 期 2004 年8 月

张　军1 ,2 ,王远亮1 ,CHEN Xin-yong3 ,何创龙1 ,程　超1

(1. 重庆大学教育部生物力学及组织工程重点实验室,中国重庆400044 ;2. 重庆医科大学生物学教研室,中国重庆 400016 ;3. Laboratory of Biophysics and Surface Analysis , University of Nottingham , Nottingham NG7 2RD , United Kingdom)

摘　要: 利用原子力显微镜(atomic force microscope , AFM) 技术,研究了肌动蛋白体外通过自组织过程形成的纤维结构及其多态性。肌动蛋白在体外通过自组织过程能够聚合形成离散的树状分支的纤维丛和具有不同直径的长纤维等高级纤维结构,表现出明显的结构多态性;与微丝工具药物鬼笔环肽干预下自装配形成的主要由单根微丝和微丝束等纤维成份构成的连续网络结构明显不同。

关键词: 肌动蛋白;自组织;结构多态性;原子力显微镜

中图分类号: Q245 ;Q-334

文献标识码: A

文章编号: 1007-7146 (2004) 04-0253-05

Preliminary Observation on the Structural Polymorphism of Actin Filaments in Self-organizing in vitro using Laser Atomic Force Microscope

ZHANG Jun1 , 2 , WANG Yuan-liang1 , Chen Xin-yong3 , HE Chuang-long1 , CHENG Chao1

(1. Key Lab of Biomechanics & Tissue Engineering , Ministry of Education , Chongqing University , Chongqing 400044 , China ;

2. Biology Department , Chongqing University of Medicine Sciences , Chongqing 400016 , China : 3. Laboratory of Biophysics and Surface Analysis , University of Nottingham , Nottingham NG7 2RD , United Kingdom)

Abstract : The laser atomic force microscope , a novel tool for surface structure exploration , is employed to investigate the struc-tural polymorphism of actin filaments by self-organization in vitro. It is demonstrated that the actin can be polymerized into tree-like branch structure and long filaments with different diameters in F-buffer without the addition of F-actin stabilizing reagent , such as phalloidin etc. , which is capable of inhibiting the F-actin from depolymerization. These polymerized filaments clearly exhibit the structural polymorphism and show obvious difference from those in the cross-linked network mainly composed of single F-actin and F-actin bundle in the presence of phalloidin under same experimental conditions in previous experiments.

Key words : actin ; self-organization ; structural polymorphism; atomic force microscope

　肌动蛋白(Actin) 是真核细胞内最保守、含量最丰富的蛋白质之一,作为细胞骨架和结构的主要成分,具有极其重要的细胞生理功能[1 ,2 ] 。肌动蛋白一般以球形肌动蛋白(G-actin) 和纤维性肌动蛋白( F-actin , 即微丝) 两种形式存在。G-actin 的一级序列通常由375 个氨基酸残基组成,分子量约为43KD ,溶液中,在Mg2 + , K+ , Na + 及ATP 诱导下能自聚合形成高分子量、右手双螺旋结构的F-actin[3 ,4 ] 。在体内,肌动蛋白不仅作为必需成分参与肌球蛋白介导的肌肉收缩[5 ,6 ] ,并可以通过受调控的聚合动力学过程[7 ]或凝胶-溶液转化[8 ] 单独介导细胞运动;而且越来越多的研究表明,肌动蛋白参与了远比以前人们认为的更加广泛和复杂的生命活动,如细胞粘附、信号转导、离子通道调控等等[9～14 ] 。由于肌动蛋白在真核细胞中担负了多种重要的生理功能,是细胞内最重要的蛋白质之一,因而自从被发现以来,其结构和功能研究成为细胞生物学和结构生物学的重要内容。不仅多种晶体形式的G-actin 精细原子结构已获得阐明[15～17 ] ,而且高分辨率的F-actin 原子结构模型也通过纤维X-射线衍射[18 ,19 ] 和电子显微镜成像而得到建立[20～22 ] ;虽然人们在肌动蛋白高分辨率的结构解析研究中获得了巨大成功,但是对肌动蛋白体外大尺度结构体系却关注较少。而肌动蛋白在体内行使正常生理功能时,是依赖于大尺度的超分子结构体系,并非以单个G-actin 或单根F-actin 来发挥其细胞功能。