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腹毛目纤毛虫鬃棘尾虫细胞纤毛器微管胞器及微管蛋白的研究

尹飞  
【摘要】: 原生动物纤毛虫细胞内含有纤毛器微管胞器和非纤毛器微管两大微管系统。其中纤毛器微管胞器位于纤毛虫细胞的外层,即皮层位置,其微管组织成纤毛单元,纤毛单元按不同方式排列、聚集形成口纤毛器和体纤毛器及其他纤毛附属结构,是纤毛虫细胞中最为复杂的微管系统。微管是与细胞生命活动紧密联系的基本骨架,一直引起各个领域研究者的关注,对纤毛器微管胞器的研究也始终是原生动物学、细胞与分子生物学领域的一个重要方面。目前对纤毛基体分散排布的纤毛虫其微管结构的研究比较深入,但对纤毛基体聚集成复合纤毛器的腹毛目纤毛虫其微管结构的研究尚处于初始阶段。尤其是,为什么不同种类的腹毛目纤毛虫细胞以纤毛为基本单元组成的各种纤毛器其排列结构、定位模式都是不一样的,而同种纤毛虫形成的纤毛系统则具有相同的模式?探索这一问题不仅对揭示纤毛虫生命活动中细胞结构的遗传具有重要科学价值,也是研究真核细胞模式形成机理的重要内容。本文以腹毛目纤毛虫鬃棘尾虫(Stylonychia pustulata)为材料,应用透射电镜术、扫描电镜术、FLUTAX直接荧光标记、免疫荧光标记、免疫电镜定位技术、生化提取和免疫印迹技术相结合等方法,在细胞纤毛器微管、纤毛器附属微管及微管蛋白等不同水平,探讨其细胞皮层微管类胞器的建构特征,以期为纤毛虫细胞结构的形成及细胞调控的研究提供进一步的基础资料。所得结果如下: 1纤毛器微管 鬃棘尾虫细胞皮层纤毛器微管胞器包括纤毛器微管和纤毛器基部附属微管。其中,口围带、波动膜、额腹横棘毛、尾棘毛、左右缘棘毛和背触毛构成细胞中最基本的纤毛器微管结构。其中,口围带位于细胞前端,含小膜50-60片,每个小膜单元由3列纤毛组成;波动膜2片;额腹横棘毛按8、5、5的模式排布;左、右缘棘毛各1列,在细胞后端未接续,分别含棘毛约25和35根,其中每束棘毛均由围棘纤维篮包围。背触毛6列,每个纤毛单元由1根纤毛和1个裸毛基体组成;尾棘毛3根。其中,纤毛器微管的纤毛杆均由“9+2”型二联微管组成;基体由“9+0”型三联微管组成,且相邻基体间具有连接结构。与不同类纤毛虫比较表明,纤毛器的排列模式和纤毛的数量在不同物种中具有较大差异,可能随着纤毛虫进化地位不断升高,纤毛器的功能也随着纤毛器的特化和聚集而逐步趋于集中。 皮层纤毛器微管形态发生中,经历了一系列组装与去组装的过程,其纤毛器微管按照原有模式进行建构。其中,老口围带不瓦解,而是完全遗传给前仔虫。后仔虫口围带原基、前后仔虫额腹横棘毛原基和左右缘棘毛原基按先后顺序分别在相应的老棘毛瓦解区形成,其老棘毛可能对新纤毛器的发生和定位起到引导和协调其发生顺序的作用。而在腹棘毛瓦解区,前、后各5列原基按3、3、3、4、4的方式分段和迁移的特征只是部分尖毛科纤毛虫特有的。这说明不同类群腹毛目纤毛虫腹面皮层纤毛器的发生是不同的;而在亲缘关系相近的腹毛类纤毛虫中,以上结构的发生也有分化。 2纤毛器基部附属微管 鬃棘尾虫口围带基部含小膜托架、小膜后微管、小膜托架微管及小膜托架间的倒“V”形微管连接;波动膜基部形成微管骨架网;额腹横棘毛和左、右缘棘毛基部具有不规则多边形构造的围棘纤维篮,由围棘纤维篮起始向不同方向发出前纵微管束、后纵微管束和横微管束,其微管在不同棘毛基部的发达程度不同。6列背触毛基部以纤毛基体为中心向前、后皮层发出的前纵微管和后纵微管形成背皮层微管网。结果表明,前纵微管束、后纵微管束和横微管束等纤毛器基部附属微管可能是腹毛目纤毛虫皮层基本的骨架结构。将这些结构与不同类纤毛虫进行比较表明,左右缘棘毛的定向在不同物种中有显著差异;背触毛基部附属微管的建构特征与贻贝棘尾虫和异毛虫相似。作者推测,左、右缘棘毛基部横微管束在定向上具有种的保守性;其背触毛基部微管仅在科水平上是相同的。 另外,在细胞表膜下非纤毛区分布有两类微管层,其中位于细胞背部的微管层较发达,该结构可能与背部纤毛器微管胞器共同起到加固背部皮层结构的作用。 3微管蛋白的定位及功能 α-和β-微管蛋白广泛定位于纤毛器微管和纤毛器基部附属微管等结构中。γ-和δ-微管蛋白均定位于间期和分裂期细胞的纤毛基体及周围区域。其中,在超微结构水平观察显示,γ-微管蛋白集中分布于基体近中心端及其连接结构中,这与部分δ-微管蛋白的定位情况相似,推测两类蛋白可能有着相近的功能或发生相互作用。另外,当鬃棘尾虫细胞的口围带完全形成后,其基体微管就不再瓦解更新,可能是定位于基体远端的γ-微管蛋白发挥着稳定纤毛微管的功能。而δ-微管蛋白同时也分布于基体中部连接结构中,但在基体腔和基体远端分布较少,推测其可能在维持基体及其连接结构三联微管的稳定性上发挥作用。 通过生化提取将鬃棘尾虫细胞蛋白分为全骨架蛋白、不可溶组分和可溶组分。其中,全骨架组分和可溶组分(S)中富含微管蛋白,含量分别占全骨架蛋白的31.6%和21.7%;而不可溶成分(C)中的蛋白含量显著减少。另外,免疫印迹结果显示,α-、γ-和δ-微管蛋白的分子量分别为50 kDa、48 kDa和55 kDa,且三者在以上不同生化提取组分中的表达量也不一样。据此认为,所述三种微管蛋白的不同特征可能与其不同的功能作用相联系,其中:可溶的α-微管蛋白在细胞中具有组装与去组装的潜力;γ-微管蛋白的不可溶组分含量较高,可能与基体复制和维持纤毛基体及其纤毛结构的稳定有关;而可溶性α-、γ-和δ-微管蛋白在微管组装和解聚过程中关系密切,可能是通过相互作用来实现其功能的。 4结论 纤毛器微管胞器是腹毛目纤毛虫皮层微管骨架的重要组成成分,其中,定位于细胞不同部位纤毛器的排布模式及其基部附属微管的发达程度和建构模式并不一样;在形态发生中,细胞背腹部新老纤毛器微管胞器的更替具有一定的时序性,且在不同物种中此类纤毛器微管胞器的建构特征和发生模式也表现出了种的特异性。α-和β-微管蛋白是皮层微管骨架的重要结构成分。γ-和δ-微管蛋白均定位纤毛基体及其周围区域中,但两者的精细定位却又有所不同。又根据不同微管蛋白具有的生化特性推测,各种微管蛋白的功能并不完全相同,可能是通过直接作用或相互调控来促进微管组装和聚合,并最终构建形成整个复杂的皮层微管骨架结构的。 本研究所得结果对进一步阐明腹毛目纤毛虫皮层纤毛器微管胞器结构的复杂性和多样性,探索细胞皮层微管骨架的组装机理,揭示纤毛虫生命活动中结构的遗传和细胞调控,深入研究真核细胞模式形成机理具有重要科学价值。


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