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图6-25培养的上皮细胞中高尔基体的分布(高尔基体为红色,核为绿色)引自http:
//www.itg.uiuc.edu/
因其看上极像滑面内质网,因此有科学家认为它是由滑面内质网进化而来的。
扁平囊的直径为1μm,由单层膜构成,膜厚6~7nm,中间形成囊腔,周缘多呈泡状,4~8个扁平囊在一起,某些藻类可达一二十个,构成高尔基体的主体,称为高尔基堆(Golgistack)。
高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类,具有一些和ER共同的蛋白成分。
膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间,中性脂类主要包括胆固醇,胆固醇酯和甘油三酯。
高尔基体中的酶主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不同的类型。
高尔基体由两种膜结构即扁平膜囊和大小不等的液泡组成。
其表面看上去极像光面内质网。
扁平膜囊是高尔基体最富特征性的结构组分。
在一般的动、植物细胞中,3~7个扁平膜囊重叠在一起,略呈弓形。
弓形囊泡的凸面称为形成面,或未成熟面;
凹面称为分泌面,或成熟面。
小液泡散在于扁平膜囊周围,多集中在形成面附近。
一般认为小液泡是由临近高尔基体的内质网以芽生方式形成的,起着从内质网到高尔基体运输物质的作用。
糙面内质网腔中的蛋白质,经芽生的小泡输送到高尔基体,再从形成面到成熟面的过程中逐步加工。
较大的液泡是由扁平膜囊末端或分泌面局部膨胀,然后断离所形成。
由于这种液泡内含扁平膜囊的分泌物,所以也称分泌泡。
分泌泡逐渐移向细胞表面,与细胞的质膜融合,而后破裂,内含物随之排出。
不同细胞中高尔基体的数目和发达程度,既决定于细胞类型、分化程度,也取决于细胞的生理状态。
功能区隔
高尔基体顺面的网络结构(cisGolginetwork,CGN),是高尔基体的入口区域,接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。
高尔基体中间膜囊(medialGdgi),多数糖基修饰,糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。
高尔基体反面的网络结构(transGolginetwork,TGN),由反面一侧的囊泡和网管组成,是高尔基体的出口区域,功能是参与蛋白质的分类与包装,最后输出。
图6-26高尔基体的三个功能区域
高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应:
①嗜锇反应,经锇酸浸染后,高尔基体的cis面膜囊被特异地染色;
②焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应,可特异地显示高尔基体的trans面的1~2层膜囊;
③烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应,是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应;
④胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应,常常可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构,CMP酶也是溶酶体的标志酶,溶酶体就是在此处分泌产生的。
主要功能
高尔基体的主要功能是参与细胞的分泌活动,将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装,并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。
内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜等部位运输。
因此,高尔基体是细胞内物质运输的交通枢纽。
1.蛋白质和脂的运输
高尔基复合体位于内质网和质膜之间,是膜结合核糖体合成的蛋白质的分选和运输的中间站。
(1)ER与高尔基体顺面间的蛋白质运输
除了内质网结构和功能蛋白质外,其他由内质网合成的蛋白质都是通过小泡转运到高尔基体的顺面,小泡与顺面高尔基体网络融合之后,转运的蛋白质进入高尔基体腔,这是内质网与高尔基体间的主流运输。
偶尔也有从高尔基体各个部位形成的小泡沿微管回流到内质网(图9-29)。
图9-29高尔基体和ER间的双向运输的模型
从ER出芽形成的小泡到高尔基体顺面称为正向运输,从高尔基体形成的小泡都可独立地通过微管运回ER。
(2)内质网滞留信号(ERretentionsignal)
内质网的结构和功能蛋白的羧基端的一个四肽序列:
Lys-Asp-Glu-Leu-COO-,即KDEL信号序列是内质网的滞留信号。
KDEL信号在高尔基复合体各个部分的膜上都有相应的受体。
如果ER滞留蛋白质在出芽时被错误地包进分泌泡而离开了ER,高尔基复合体膜上的这种信号受体蛋白就会与逃出的ER蛋白结合,并形成小泡,将这些ER蛋白"
押送"
回到ER(图9-30)。
内质网腔蛋白的羧基端都有KDEL信号序列,是ER滞留信号。
KDEL受体主要位于高尔基体的顺面膜囊和ER到高尔基体顺面运输小泡上。
主要作用是识别KDEL信号并与之结合,然后将结合的ER蛋白运回ER.
(3)蛋白质从顺面高尔基网络向反面高尔基网络运输
从ER分泌出来的小泡同顺面高尔基网络融合后成为高尔基体的一个部分,然后经过中间膜囊出芽形式分泌小泡(又称穿梭小泡)逐步向反面高尔基体网络转运,转运时,分泌小泡与高尔基体膜囊的融合和出芽都是发生在两侧(图9-31),该过程伴随有蛋白质的各种加工。
图9-30KDEL信号及其受体维持ER蛋白的稳定
图9-31穿梭小泡从顺面高尔基体网络向反面高尔基体网络移动
上述关于分泌蛋白在高尔基体顺面网络和反面网络之间的运输,长期以来只是一种推测。
后来由JamesRothman和LelioOrci通过无细胞蛋白质合成体系获得了实验证明。
2..蛋白质的糖基化
(1)N-连接糖基化的修饰
蛋白质的N-连接糖基化是在内质网中进行的,而对糖基的修饰则是在高尔基体中完成的。
对于进入到高尔基体的糖蛋白来说,形成高甘露糖基寡聚糖侧链所需的修饰比较简单,只要切除3分子的葡萄糖即可(图9-32),这一过程是在RER中完成的。
图9-32高甘露糖侧链的修饰
而形成复合寡聚糖则比较复杂,要切除5分子甘露糖,加上2分子N-乙酰葡萄糖胺、2分子半乳糖、2分子唾液酸(9-33),有时还要加上岩藻糖。
图9-33哺乳动物高尔基体中进行的N-连接糖基化修饰过程
(2)O-连接的糖基化(O-linkedglycosylation)
高尔基体中进行的另一种蛋白质的糖基化是O-连接的糖基化,将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。
3.蛋白聚糖(proteoglycan)的合成
除了蛋白质的糖基化以外,高尔基体中也可以进行多糖的合成。
动物细胞中合成的多糖主要是透明质酸,这是一种氨基聚糖,是细胞外基质的主要成分。
植物细胞壁中的几种多糖,包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。
4.蛋白原的水解
胰岛素是在胰岛B细胞中合成的,刚从内质网合成的多肽在N-末端有信号肽链,称前胰岛素原(preproinsulin),相对分子质量为12,000.随后在内质网的信号肽酶的作用下,切除信号肽,成为胰岛素原(proinsulin),相对分子质量9,000,含84个氨基酸。
运输到高尔基体后,通过蛋白酶的水解作用,生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽(图9-34)。
图9-34胰岛素分子的加工成熟和运输
5.蛋白质的分选
(1)高尔基体反面网络的功能是进行蛋白质的分选(图9-35)。
(2)分选作用主要是由信号序列和受体之间的相互作用决定的,如KDEL序列是内质网的滞留信号一样,不同部位的蛋白具有不同的信号,在反面高尔基网络被分选包装到不同的小泡,没有特别信号的则进入非特异的分泌小泡
图9-35高尔基体反面网络的蛋白分选
高尔基体研究新发现
1.高尔基体糖蛋白-73(GP73)
一种新的血清标记物——高尔基体糖蛋白-73(GP73)有望成为肝癌早期诊断的新指标,其敏感性远高于传统方法。
中国医学科学工作者率先在亚洲地区就此指标进行了针对中国人群的初步检测和调查,取得了可喜结果,目前,有待扩大样本量和更多细节的完善。
此方法一旦成熟、并投入临床使用后,将成为方便、有效、准确的肝癌早期“指示灯”。
此研究报告刊登于《中华医学杂志》2008年第14期,题为“新的肝癌血清标记物GP73在肝癌诊断中的初步研究”,第一作者为北京协和医院肝脏外科的毛一雷医师。
此项研究为美国中华医学基金会基金和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目。
肝癌是我国位居第二的癌症“杀手”,病人早期一般没有什么不适,一旦出现症状就诊,往往已属中晚期,一般发病后生存时间仅为6个月,人称“癌中之王”。
我国是肝炎大国,为肝癌的发生提供了庞大的基数人群,据新近统计,世界上每新增2例肝癌就有1例发生在中国,严重威胁着我国公众的生命健康,并给国家医疗资源带来了巨大负担。
挽救肝癌患者生命的关键是早期发现早期手术,临床中常用的早期检查方法有影像学和血清标记物检测,但都各有不足之处:
影像学检查往往不能成为普查方式,且常在肿瘤长到0.5~1cm以上时才在影像中肉眼可见,早期发现概率并不高;
几十年来,临床上最常用、也几乎是惟一的肝癌早期筛查血清标记物就是甲胎蛋白(AFP),但其敏感性有限,平均仅为56%,不能成为肝癌早期诊断的理想手段。
近年来开展的蛋白组学技术为找出新的肝癌标记物提供了可能。
2007年11月1日一篇发表在NatureMedicine上的研究报道提示,检测血清中GP73可能成为肝癌早期诊断的重要方法,其敏感性和特异性明显超过了AFP,引起了业界关注,但来自全世界的相关研究报道不多,且均来自美国,迄今尚无关于欧洲及亚洲地区人群的报道。
本项研究的工作人员率先就GP73在中国乙肝肝癌患者中的敏感性予以了初步检测,并与传统的AFP进行了比较。
研究人员对37例乙肝肝癌患者、25例乙肝病毒携带者、12例非肝病患者和99例正常健康志愿者的AFP和GP73及相关肝癌血清指标进行了检测和比较。
结果发现,所有受检人的血清中都可检测出GP73,但在健康人群和非肝病患者中水平很低;
在乙肝病毒携带者中的水平虽高于健康和非肝病患者,但远低于肝癌患者;
GP73在肝癌患者中的水平最高,是乙肝病毒携带者的20倍。
GP73在肝癌患者中的敏感性达到76.9%,特异性达到92.8%;
而AFP的敏感性仅为48.6%。
有限的病例研究还提示,GP73在肝癌患者术后1周内仍维持一定水平,到术后1.5-2年时明显下降,提示GP73蛋白在血中有一个降解过程。
在肝癌患者中,GP73高低与肿瘤大小和分级没有明显相关性。
以上结果初步揭示了GP73高表达与我国乙肝为基础的肝癌患者的密切关系,证明了其敏感性远远优于传统的AFP方法,为GP73成为肝癌早期诊断的新手段迈出了重要的第一步,并成为来自亚洲地区的有关GP73的惟一报道。
但本研究观察例数较少,有待进一步扩大样本量验证及确定GP73的正常值范围。
2.高尔基体被证实是另一个微管形成中心
微管(microscopic)是细胞骨架的组成部分,起源于中心体(centrosome)。
最近,范德比尔特大学医学院研究人员再微管起源研究中获得了重大突破。
Irina
Kaverina博士与其同事发现高尔基体(Golgi
apparatus)是微管的另一个起源,指出了一种可能指导细胞运动和癌细胞入侵的新细胞机制。
这一成果刊登于本月《Developmental
Cell》杂志。
微管是构成细胞骨架的三种filaments中最大的一种,由两种球状蛋白——alpha
tubulin(微管蛋白)和beta
tubulin组装而成。
为了立足,初生微管“种子”必须锚定在与细胞核相邻的中心体(或称MTOC,微管组织中心)上。
从MTOC开始,处于生长状态的微管向四周扩散。
它们的快速聚集和解聚,帮助蛋白在细胞中运输,使引发细胞运动的信号极性分布。
今天大多数人将中心体视作微管“晶核形成(nucleation,生物通编者译)”的主要发源地。
文章高级作者、细胞和发育生物学副教授Kaverina说:
“我发现许多微管没有附着在中心体。
所以我打算寻找它们的起源。
”
Kaverina怀疑高尔基有MTOC的功能。
然而,在活细胞成像技术出现之前无法证明微管的这种起源学说。
“高尔基体与中心体很近,不仔细看的话,很难区分二者。
”为了提高分辨率,Kaverina等用荧光分子标记人视网膜上皮细胞中微管的生长末端(plus端),拍摄它们生长过程。
“我们发现不止中心体,高尔基体也能产生微管。
而且与中心体微管不同的是,高尔基体微管是放射状的、对称的、有方向的。
他们发现高尔基体微管直接指向细胞运动的“前”端,这种方向性是指导迁移必需的,Kaverina推测这种微管可能通过易化蛋白向细胞前端运动过程,影响细胞移动。
“我们新发现的这种微管将高尔基体与细胞前端直接联系起来,如果这些微管有传递作用,这将更为合理。
”除了鉴别这种微管晶体形成的新位点,Kaverina还检测了控制该过程发生的机制,发现与微管plus端有关的蛋白CLASPs,定位在高尔基体的特定部位——高尔基体反面的网络结构(trans
Golgi
network,TGN)并且稳定高尔基上的微管“种子”。
高尔基体微管可能是影响癌细胞远距离扩散的重要因子。
因为微管在细胞分裂中发挥中心作用,治疗癌症的药物如colchicine、vincristine和paclitaxel
(Taxol)能够通过改变微管动力学特征阻止细胞分裂。
许多经典的化学疗法会影响微管,尽管不清楚这些药物对癌细胞和正常细胞的影响有何不同。
调节两种微管的增生、迁移和入侵可能会影响治疗效果。
因此进一步对新发现的微管进行研究有望找到抑制癌细胞向周围组织扩散的途径。
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