肌动蛋白纤维化研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

众所周知，细胞代谢主要发生在细胞质中，而细胞质中蛋白质含量较高，其质量分数达到20%—30%。蛋白质能够通过弱的非共价键连接的方式结合在一起，构成呈纤维状的多聚体蛋白——细胞骨架^[1]。细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维三维网络结构体系，具有高度有序结构，由微管(microtubule)、微丝(microfilament)和中间丝(intermediate)等生物大分子组成^[2]。其中，微管起到了为细胞中各类物质的运输指引方向的作用，是细胞内的主要支架；微丝能够维持细胞的特征形态，使其能够正常地收缩和运动；而中间丝则主要起到支撑作用^[3]。随着细胞形态或外部信号传导的变化，大多数细胞骨架能够通过多聚体纤维蛋白的组装（也称聚合）和去组装（解聚）来参与和调控细胞的众多基础生物过程和功能，如细胞形态、结构、极性、运动、分裂和增殖等^{[3, 4]}。

微丝是细胞骨架的主要成分，呈扭链式纤维状结构，以束状平行排列或以网状疏散分布于细胞质中，具有高度动态性；每条微丝由两条相互螺旋的蛋白链组成，直径约为7nm，而每条蛋白链都是由肌动蛋白(actin)构成的纤维状蛋白聚集体，称为“肌动蛋白纤维”(actinfilament)，或称为“纤维型肌动蛋白”(filamentousactin)^{[3, 5, 6]}。肌动蛋白纤维是由单体肌动蛋白通过范德华力、静电作用等分子间相互作用连接而成的螺旋聚集体。肌动蛋白单体是一种高度保守的蛋白质，结构较为稳定而不易发生改变，一般为球形，也称“球形肌动蛋白”(g-actin)，仅由一条肽链构成，含有374个氨基酸分子，直径为5nm，分子质量为43kda，分子中含有5个半胱氨酸残基（其中一个与atp结合）。一定浓度的肌动蛋白单体在2mmg² 或0.1mk 存在的条件下，能够发生聚合形成肌动蛋白纤维^[7-9]。肌动蛋白单体在各类真核细胞中含量较高，占肌细胞蛋白质总含量的10%~15%，占非肌细胞蛋白质总含量的1%~5%，主要以三种形式存在，即α-、β-以及γ-肌动蛋白。不同种类的肌动蛋白在不同细胞或不同细胞部位起到的作用不同，其中α-肌动蛋白主要存在于肌肉组织中，组成负责细胞收缩的结构，如形成胞质分裂环；β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白普遍分布于各类细胞中，前者主要附着于细胞膜内表面，构成细胞皮层和伪足，而后者则负责调控细胞膜的张力，如形成应力纤维等^{[6, 10, 11]}。

纤维肌动蛋白是一类重要的细胞骨架，其在生物体中的作用主要有^{[6, 8, 9, 12-15]}：（1）支撑细胞质膜，如在细胞膜内表面形成凝胶状三维网络结构（称为“细胞皮层”），提高细胞质膜的韧性和强度；（2）决定细胞表面形态及功能，如在细胞表面形成凸起的丝状伪足，和在神经细胞的突触顶端形成微刺和生长锥等；（3）通过迅速的聚合/解聚过程，为细胞运动提供作用力，如参与原生质环流、膜蛋白定位、细胞吞噬和变形运动等多种细胞运动；（4）为细胞分裂提供驱动力，如在有丝分裂末期的细胞中间形成收缩环，通过不断收缩使两个子细胞逐渐分裂；（5）控制肌肉收缩，如在肌肉细胞中，肌动蛋白纤维形成的细肌丝与肌球蛋白形成的粗肌丝间的相对滑动使肌肉收缩；（6）参与受精过程，如形成精子顶体和卵细胞表面微绒毛；（7）参与基因转录调控、染色质重构、dna修复及核内外信号传导等细胞核的生物过程，如通过结合转录调控因子而影响其转录活性；（8）调控t细胞、b细胞和巨噬细胞等免疫细胞功能，如通过细胞骨架的重构，参与t细胞免疫突触的形成和t细胞的发育成熟等，从而参与t细胞功能的调节；（9）参与细胞内外的物质运输及信号传导；（10）调控细胞迁移及细胞凋亡等。医学研究表明，细胞骨架结构的破坏、组装及分布的异常、以及肌动蛋白纤维的解聚等现象普遍存在于恶性病变的细胞中；并且，肌动蛋白的纤维化过程也与肿瘤细胞在生物体内的转移和扩散过程密切相关^{[13, 16]}，因此对于肌动蛋白纤维化的研究能够为相关疾病的诊断和治疗提供理论支持。同时，肌动蛋白纤维作为肌球蛋白（又称“蛋白质分子马达”，主要负责细胞内的物质运输）的运动轨道，可以将其运用到人工集成纳米生物机器的设计中，利用其纤维化过程的生物特性，运用于不同生物界面上的物质运输。所以，研究环境因素，尤其是界面环境的变化对肌动蛋白纤维化过程的影响，对相关领域的科学研究有着指导意义。

2. 研究的基本内容与方案

肌动蛋白单体聚合形成的纤维状聚集体是细胞骨架的基本成分，对细胞的运动起到关键作用。本设计通过广泛阅读相关中外文献，了解肌动蛋白单体和肌动蛋白纤维的相关概念及聚合机理，并从溶液环境和界面环境两方面着手，了解溶液和界面环境中相关条件，如溶液中肌动蛋白单体浓度、二价阳离子类型及浓度、界面的曲率、修饰界面分子的手性结构、界面粗糙度及流动性等，对溶液中肌动蛋白单体在界面上的纤维化过程的作用，从而探究周围环境因素变化对肌动蛋白纤维化的影响，为相关领域的研究提供理论基础和技术支持。同时了解前人对于其他蛋白类生物大分子，如β淀粉样蛋白(amyloid-β, Aβ)纤维化的相关研究方法，设计周围环境因素变化对于肌动蛋白纤维化过程影响的相关实验，从而探索出肌动蛋白纤维化过程的相关条件及影响因素，以求为肌动蛋白纤维化研究提供新的研究方向和指导方法，为与细胞骨架相关的恶性病变、肿瘤细胞的转移和纳米生物机器的构建等方面的研究提供宝贵的理论基础和技术支持。

3. 研究计划与安排

1、第1-5周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需条件。确定研究方向和具体内容，完成开题报告；

2、第6-14周：按研究方案阅读相关中外文献，撰写文献综述，并结合实际情况进行优化和改进；

3、第15周：整理文献资料，完成并修改毕业论文；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] bustin s. molecularbiology of the cell, sixth edition. international journal of molecular sciences2015.

[2] 王晓, 王记增. 肌动蛋白纤维束的统计热力学性质研究.第十届全国生物力学学术会议暨第十二届全国生物流变学学术会议. 中国四川成都2012. p. 2.

[3] 徐国恒. 细胞骨架——肌动蛋白纤维. 生物学通报 2005:43.