核纤层（细胞核内层核膜下的纤维网络）

介绍

核纤层

间期细胞核中，核纤层与核膜在结构上有密切联系，常与核膜组分一起被分离。有人认为广义的核膜包括3种主要结构组分：(1)核外膜和核内膜；(2)核孔复合体；(3)核纤层，而后两者又被认为是核骨架的有机组分。当用高盐、非离子去垢剂和核酸酶处理核膜后，只有核膜孔复合体和核纤层存留，核纤层对盐溶液有较大的稳定性，在细胞抽提中常与中间纤维、核骨架共同被分离。

研究

核纤层的研究始于50年代，而真正取得实质性进展是在70年代末和80年代。lamina曾有许多不同的名称，如fibrous lamina、dense lamella、zona nuclear limitans，目前通用的名称是lamina或nuclearlamina。现在还没有统一的合适的中文译名，有“核纤层”、“核层”、“核衬层”与“核周层”等不同的译名，倾向于用核纤层来表示。

作用

1．保持核的形态：是核被膜的支架，用高盐溶液、非离子去污剂和核酸酶去除大部分核物质，剩余的核纤层仍能维持核的轮廓。此外，核纤层与核骨架以及穿过核被膜的中间纤维相连，使胞质骨架和核骨架形成一连续网络结构。

2．参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化，在间期核中，核纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜解体。其中B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质中。在分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导了核膜的重建。

形态结构

在某些真核细胞中，通过超薄切片电镜观察可以直接观察到位于内层核膜与染色质之间的核纤层结构，厚度为30～100nm，然而，绝大多数细胞的核纤层是很薄的结构。只有将核膜与染色质去除后才能观察到。免疫细胞化学研究说明，核纤层至少在高等真核细胞间期细胞核中是普遍存在的。

核纤层纤维的直径为10nm左右，纵横排列整齐，呈正交状编织成网络，分布于内层核膜与染色质之间。一般认为核纤层结构整体观呈一球状或笼状网络，切面观呈片层结构。在分裂期细胞，核纤层解体，以单体形式存在于胞质中。

成分

核纤层

核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系

早在60年代就知道核纤层具有纤维网状结构，但对其分子基础并不清楚。近年来发现核纤层与中间纤维有许多共同点：

(1)两者均形成10nm纤维；

(2)两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提；

(3)某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应，说明中间纤维蛋白与核纤层蛋白分子存在相同的抗原决定簇(Osborn＆ Weber，1987)；

(4)两者在结构上有密切联系，核纤层成为核骨架与中间纤维之间的桥梁。

核纤层蛋白在细胞分化中的表达

核纤层

生命活动变化

核纤层最显著的结构重组发生于分裂期，在细胞分裂过程中，核纤层发生解聚和重装配。分裂前期，核膜崩解，核纤层解聚，核纤层蛋白弥散到胞质中。分裂末期，当核膜重现时，在染色体周围重装配，形成于细胞的核纤层。

细胞分裂期中，核纤层蛋白的磷酸化水平发生显著改变，分裂前期高度磷酸化，而末期则发生去磷酸化，提示磷酸化可能是分裂期中核纤层结构动态变化的调控因素，而核纤层蛋白磷酸化可能是分裂前期细胞内磷酸化级联放大反应的一个重要环节，这种磷酸化级联反应可以在时间上协调许多细胞结构在分裂期的重组。最新的研究表明，核纤层蛋白是促分裂因子(MPF)P34cdc2亚基的直接作用底物，P34cdc2亚基具蛋白激酶活性，有丝分裂前期，MPF使核纤层蛋白分子杆状区两端的Ser22和Ser392磷酸化，直接导致核纤层解聚。

核纤层的磷酸化与核被膜解体

核纤层

脊椎动物细胞中有三种类型的核纤层蛋白(A,B,C),核纤层蛋白。

A和C是由同一个转录单位编码的，只不过是通过可变剪接形成不同的mRNA。它们在肽链上的差别是：核纤层蛋白A的C末端比核纤层蛋白C的C末端多133个氨基酸残基。核纤层蛋白B是由另一个转录单位编码的，通过转录后的修饰，在羧基端添加了疏水的异丙基，添加的脂肪酸帮助核纤层蛋白B插入到核膜的内脂层。三种类型的核纤层蛋白都以二聚体的形式存在，有球形的头和尾部结构域以及一个杆状的α螺旋中心。这些核纤层蛋白二聚体以头-头、尾-尾相接的方式形成核纤层。

脊椎动物细胞中有三种类型的核纤层蛋白(A,B,C),核纤层蛋白A和C是由同一个转录单位编码的，通过可变剪接形成不同的mRNA。

核纤层的磷酸化

在有丝分裂早期，MPF使三种核纤层蛋白的特定丝氨酸残基磷酸化，引起核纤层的去聚合磷酸化的核纤层蛋白A和C被释放出来进入溶液中，而磷酸化的核纤层蛋白B由于异丙基的作用仍然与核膜相连。核纤层的解体，导致核被膜破裂形成小囊泡。

功能

核纤层与核膜、染色质及核孔复合体在结构上有密切联系，一般认为核纤层在细胞核中起支架作用，为核膜及染色质提供了结构支架。

核纤层的作用：

1．结构支撑功能：

2．调节

：

3．调节DNA修复：

4.与细胞周期的关系：细胞分裂过程中，核纤层蛋白解聚成可溶的单体或与崩解后的核被膜相结合。新核形成时，核被膜与染色质结合的同时，核纤层也最后形成。

核纤层与核膜在结构和功能上的关系是一个令人感兴趣的问题。生化分析发现核纤层蛋白A，B和C均有亲膜结合作用，而以核纤层蛋白B与膜的结合能力最强。在细胞分裂期中，核膜与核纤层的行为密切相关，核膜崩解和核纤层解聚后，核纤层蛋白B能选择性地与核膜小泡结合。Gerace等(1986)推测分裂期中核纤层的可逆性解聚与重装配对核膜的崩解与重装配有调节作用，分裂前期核纤层的解聚为核膜崩解形成膜泡提供了必要的微环境。分裂期中核纤层蛋白B结合在核膜小泡上。分裂末期，当核纤层蛋白去磷酸化与重装配时，直接介导了核膜围绕染色体的重装配，核纤层蛋白将核膜小泡“引导”到染色体表面，经膜融合后构成新核膜。这样一个以核纤层为基础的核膜重建模型认为少数几种核膜相关蛋白即足以使核膜在分裂期重建。当然，这一模型尚缺乏充分的实验证据。

A型核纤层蛋白前体

2010年5月12日英国研究人员日前报告说，他们发现一种使人衰老的蛋白质在心脏病发病过程中起着重要作用，这将有助于研发治疗心脏病的新途径。

英国伦敦国王学院等机构研究人员在新一期美国《循环》医学期刊上报告说，以前研究曾发现名为“A型核纤层蛋白前体”的蛋白质与人体衰老有关，本次研究分析了这种蛋白质对心脏细胞的作用，发现它会使得心脏细胞难以修复自身损伤，导致心血管硬化和脂肪堆积，最终导致心脏病。

研究人员表示，这项研究为治疗心脏病找到了一个新途径，即可以通过有效抗氧化使用较强的抗氧化剂（如类胡萝卜素的β-胡萝卜素、ASTA虾青素，番茄红素等）减少这种蛋白质或抑制其发挥作用来延缓心脏细胞衰老。

研究还发现，在老人的心脏平滑肌细胞中往往可以发现这种蛋白质的含量偏高，这也许是老人成为心脏病高发群体的原因之一。

领导研究的凯瑟琳·沙纳汉教授说，虽然这种蛋白质在体内积累与自然衰老密切相关，但人们的生活方式也会对这种蛋白质的积累速度造成影响，如吸烟等不良生活习惯就会加速它的积累，提前造成心脏细胞衰老并导致心脏病。

存在方式

普遍存在于高等真核细胞中，是内层核被膜下纤维蛋白片层，其纤维直径为10毫微米左右，纤维纵横排列整齐呈纤维网络状。核纤层在核内与核基质连接，在核外与中间纤维相连，构成贯穿于细胞核和细胞质的统一网架结构体系。它位于内层核膜与染色质之间，与核膜、染色质及核孔复合体在结构上有密切联系，核纤层蛋白向外与内层核膜上的蛋白结合，向内与染色质的特定区段结合。其厚度随不同细胞而异，为30～100毫微米。大多数真核细胞的核纤层很薄。高等动物核纤层通常由3种属于中间纤维的多肽组成，即核纤层蛋白（lamins）A、B、C。分子量60000～80000道尔顿。核纤层与核被膜的稳定、维持核孔位置、稳定间期染色质形态与空间结构、染色质构建和细胞核组装密切相关。如在间期细胞中，核纤层为核膜提供了支架的作用，核纤层的可逆性解聚调节了核膜的崩解和重建，当细胞进行有丝分裂时，核纤层蛋白被磷酸化，引起核纤层可逆解聚，核膜崩解，在分裂末期时，核纤层蛋白去磷酸化，它直接介导了核膜围绕染色体之重建。

特异性表达

核纤层蛋白在人的各种组织和细胞中已有比较系统的研究。其中，核纤层蛋白A/C在大多数分化良好的上皮细胞中表达，而在神经内分泌起源的大多数细胞及造血细胞中不表达。核纤层蛋白B1在肌肉和连接组织中不表达，在上皮细胞中仅表达于增殖的细胞。除了肝细胞外，核纤层蛋白B2几乎在所有检测的组织中表达。核纤层蛋白在各种组织中特异性的表达也许预示着其功能的特异性。

在哺乳动物中，核纤层蛋白家族包括A，A△10，C，C2，B1，B2及B3。在小鼠精子发生的过程中，各种核纤层蛋白的表达有特异性。其中，核纤层蛋白B2在整个精子发生过程中表达，但是核纤层蛋白A、C、B2不表达。核纤层蛋白C2仅特异性地表达于减数分裂期，而核纤层蛋白B3仅在精子发生后期即精子形成期表达。在睾丸的曲细精管中，支持细胞、精原细胞及各级减数分裂期精母细胞不表达核纤层蛋白B3，在圆形精子中可以检测到核纤层蛋白B3。免疫荧光结果表明，核纤层蛋白B3的荧光信号分布于细胞核的边缘，并且在着丝粒异染色质上也有微弱的信号。随着精子细胞的进一步成熟，荧光信号逐渐移向圆形精子和延长形精子的后部。核纤层蛋白B3位置改变的生物学功能还有待于进一步研究。

有研究表明，A型核纤层蛋白是雄性小鼠生殖能力的重要决定因素。与野生型及lmna+/-杂合型小鼠相比，lmna-/-小鼠的睾丸体积及曲细精管的直径明显减小。虽然精原细胞和支持细胞数量基本未发生改变，但是I型精母细胞的数量减少。此外，减数分裂后期的细胞（精子细胞和精子）完全消失。TUNEL实验结果表明，lmna-/-小鼠曲细精管中凋亡细胞的数量增多。虽然lmna-/-小鼠附睾中也充满了官腔液，但是液体中不含精子，而在LMNA基因缺失的雌性小鼠中，卵子发生正常。

生物学功能

维持细胞核形状

许多研究表明，核纤层对于细胞核形状的维持是至关重要的。在小鼠精母细胞中，精母细胞特异性表达的核纤层蛋白B3缺失后导致细胞核形状从球形变为钩形。实际上，在COP5成纤维细胞中表达外源的核纤层蛋白B3也可以导致细胞核形态发生变化。在编码核纤层蛋白A/C基因敲除的小鼠和秀丽新小杆线虫中，同样可以观察到细胞核形态的改变。此外，人HIV病毒VPR蛋白可以诱导核纤层局部解体，最终导致核孔上出现可见的泡状物。

维持细胞核大小

在非洲爪蟾卵细胞核提取物中，核纤层蛋白控制细胞核的大小。在细胞核提取物中核纤层被免疫缺失后，虽然核膜的组装仍然进行，但是细胞核变小。

参与核膜的组织

超微结构研究发现，核纤层纤丝在二维空间上互相垂直排列，交织成网格状结构，并且与核孔复合物(NPC)的某些亚基相互作用，从而把NPC锚定在核膜的相应位置上。在果蝇中，核纤层蛋白Dm0缺失后，可以观察到NPC在核膜上漂浮，并最终聚集到一起。同样，在lmn-1缺失的线虫中也观察到类似的结果。

把核纤层蛋白征集到核纤层上

许多研究表明，在内层核膜中，核纤层蛋白之间的相互作用也有先后次序。其中，B类核纤层蛋白首先结合到核纤层纤丝上，然后是核纤层蛋白A，最后是核纤层蛋白C。在非洲爪蟾的卵细胞提取物中，重组的核纤层蛋白A仅当内源性核纤层蛋白B3存在的情况下，才能结合到体外组装的精子原核的核膜上，这表明核纤层蛋白A也许仅能结合到已经存在的B型核纤层蛋白纤丝上。另外，还有证据表明，在体外培养的细胞中，核纤层蛋白A在B型核纤层蛋白组装到有丝分裂末期的细胞核前，一直定位于核质中。核纤层蛋白A和C的组装特性也不同。在小鼠细胞中表达或注射标记的核纤层蛋白后可以发现，核纤层蛋白A比核纤层蛋白C能够更快的组装到核纤层上。这些研究表明，核纤层蛋白A可以指导核纤层蛋白C的组装。

参与DNA的复制

在非洲爪蟾卵细胞提取物中，核纤层蛋白B3的缺失将会导致细胞核体积缩小，并且生物素标记的dUTP也不能够积极地参与到DNA复制过程中。当把纯化的核纤层蛋白B3重新加入提取物中，细胞核形状逐渐恢复，并且DNA复制重新开始。在体细胞有丝分裂的S期，核纤层蛋白B1从核膜转移到DNA复制中心。这些结果表明，核纤层蛋白在DNA复制过程也许发挥了直接的作用。

参与有丝分裂

核纤层蛋白是促分裂因子（MPF）P34cdc2亚基的直接作用底物，P34cdc2亚基具蛋白激酶活性，有丝分裂前期，MPF使核纤层蛋白分子杆状区两端的Ser22和Ser392磷酸化，直接导致核纤层解聚及核膜崩解。在分裂末期时，核纤层蛋白去磷酸化，它直接介导了核膜围绕染色体之重建。

细胞结构与细胞外基质

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