细胞骨架（Cytoskeleton）是指细胞中的蛋白质纤维网络，真核细胞细胞骨架包括微管（Microtubules，MT）、微丝（Microfilaments，MF）和中间纤维（Intermediate filaments，IF）三种主要成分，原核生物的细胞骨架比较简单，主要由MreB蛋白、螺旋蛋白（Crescentin）等蛋白质构成。也这些纤维共同构成一个结构体系，通常被称为“细胞骨架系统”，与细胞内的遗传系统和生物膜系统并列，统称为“细胞内的三大系统”。

细胞骨架（Cytoskeleton）是指细胞质中的一组由蛋白质构成的纤维状结构，主要包括微管（Microtubules，MT）、微丝（Microfilaments，MF）和中间纤维（Intermediate filaments，IF）。它为细胞提供机械支撑，维持细胞形态，并参与细胞的运动、分裂和物质运输等重要生命活动。细胞骨架不仅具有结构支撑作用，还通过动态重排调节细胞内部的物质流动与细胞的形态变化，是细胞功能和生理状态调控的关键。

细胞骨架的概念最早由Nikolai K. Koltsov于1903年提出，他认为细胞的形状是由一种他称之为细胞骨架的管状网络决定的。1929年，Rudolph Peters提出了一个概念，认为细胞质的生物化学过程由一个动态协调的蛋白质马赛克网络来调控。随后，法国胚胎学家Paul Wintrebert于1931年首次提出了“细胞骨架”（cytosquelette，法语）这一术语。最初，细胞骨架被认为只是一种无趣的凝胶状物质，帮助细胞器保持位置。为了进一步理解细胞骨架及其组成部分的功能，进行了大量的研究。随着20世纪六十年代戊二醛固定法的引入，细胞骨架的主要组成部分才得以较为清晰地显示。尽管最初认为细胞骨架仅存在于真核生物中，但1992年的研究通过分子生物学和生化分析，在细菌中首次发现了与真核细胞中微管蛋白和肌动蛋白同源的蛋白质。后续研究证实，这些蛋白质在原核生物中构成了类似于真核细胞骨架的结构，从而揭示了细胞骨架在生命活动中的普遍性。

细胞骨架由三种主要的纤维状蛋白质结构组成：微管（Microtubules）、微丝（Microfilaments）和中间纤维（Intermediate filaments）。微管主要由α-和β-微管蛋白构成，其稳定性和组装依赖于微管相关蛋白（如tau、MAPs）和运动蛋白（如kinesin、dynein），在细胞分裂和物质运输中发挥重要作用；微丝以肌动蛋白为主，通过Arp2/3复合物、formin、profilin和cofilin等调控蛋白实现动态聚合和解聚，并与肌球蛋白协同促进细胞运动和收缩；中间纤维由细胞类型特异性的蛋白（如角蛋白、vimentin、desmin等）构成，通过连接蛋白（如plectin、desmoplakin）以及核纤层蛋白（lamins）为细胞提供机械支撑和结构稳定性。

微管（microtubule）可在所有哺乳类动物细胞中存在，直径大于12nm，除了红细胞(红血球)外，所有微管均由约55kD的α及β微管蛋白（tubulin）组成。它们正常时以（αβ）二聚体形式存在,并以头尾相连的方式聚合，形成微管蛋白原纤维（protofilament），一般由13根这样的原纤维构成一个中空的微管，直径22~25nm。少数变异的微管如线虫等所有的则有其他数目的原纤维。微管确定膜性细胞器（membrane-enclosed organelle）的位置和作为膜泡运输的导轨。微管是细胞骨架的架构主干，并也是某些胞器的主体，例如中心粒(centriole)就是由9组3联微管组成的构造，而真核生物的纤毛(cilium)与鞭毛(flagellum)也是由以微管为9+2结构，即由9个二联微管和一对中央微管构成，其中二联微管由AB两个管组成，A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成，两者共享5条。A管对着相邻的B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐。基体的微管组成为9+0，并且二联微管为三联微管所取代。组成的轴丝(axoneme)为主体。

从各种组织中提纯微管蛋白可以发现还存在一些其他蛋白成分（5%-20%），称之谓微管相关蛋白（microtube associated proteins MAPs）。这些蛋白具有组织特异性，表现出从相同αβ二聚体聚合形成的微管具有独特的性质，已从人类不同组织中发现了多种α及β微管蛋白，并追踪微管基因表现出部分基因家族，某些基因被认为是编码独特的微管蛋白。

微管形成的有些结构是比较稳定的，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如神经细胞轴突、纤毛和鞭毛中的微管纤维。大多数微管纤维处于动态的聚合和灾变(一种突然的，迅速的，一般不可逆转的分解)状态，这是实现其功能所必需的性质（如纺锤体）。与秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，并阻止其他微管蛋白单体继续添加，进而破坏纺锤体的结构，长春花碱具有类似的功能。紫杉酚(taxol)，能促进微管的聚合，并使已形成的微管稳定，然而这种稳定性会破坏微管的正常功能。这些药物可以利用破坏微管功能以阻止细胞分裂，成为癌症治疗的新希望。

在人类至少发现两种明显区别的α-微管蛋白及三种明显区别的β-微管基因，它们产生具有特定功能的微管蛋白mRNA，由于这些编码在结构组分上十分近似蛋白质分子，在不同组织存在多少特异性的具有差异表达的微管蛋白亚型，尚待深入研究。

除了α-与β-微管蛋白有编码相似的不同变异型，又发现了多种编码差异更大的新的微管蛋白，形成不同的基因家族。其中gamma微管蛋白位于细胞内的微管组织中心（microtubule organizing center, MTOC），是用以提供α及β微管蛋白进行聚合反应形成微管的起始核心。而delta与epsilon则被认为与中心体(centrosome)的结构与形成有关。其他尚有eta, zeta, theta等等多种变异，不过通常仅存在少数几种真核单细胞生物如原虫或纤毛虫里，可能跟这些生物独特的结构与生理习性有关，进一步详情仍待研究 。

微丝（microfilament）也普遍存在于所有真核细胞中，是一个实心状的纤维，直径为4nm-7nm一般细胞中含量约占细胞内总蛋白质的1%-2%，但在活动较强的细胞中可占20%-30%。在一般细胞主要分布于细胞的表面，直接影响细胞的形状。微丝具有多种功能，在不同细胞的表现不同，在肌细胞组成粗肌丝、细肌丝，可以收缩（收缩蛋白），在非肌细胞中主要起支撑作用、非肌性运动和信息传导作用。

微丝主要由肌动蛋白（actin）构成，和肌球蛋白（myosin，一种‎‎‎分子马达蛋白）一起作用，使细胞运动。它们参与细胞的变形虫运动、植物细胞的细胞质流动与肌肉细胞的收缩：

植物细胞的细胞质流动： 微丝中的actin(肌动蛋白)与myosin(肌球蛋白)在细胞质形成三维的网络体系。actin位于外质，myosin位于内质。 myosin连结着细胞质颗粒，由ATP供给能量，myosin与细胞质颗粒的结合体沿着actin filament滑动，从而带动整个细胞质的环流。

变形虫运动(amoeboid movememt，阿米巴运动)： 肌肉细胞的收缩：

如同微管蛋白，肌动蛋白的基因组成一个超家族，并组成多种极为相似的结构。例如，各种肌肉细胞有不同的肌动蛋白：①骨骼肌的条纹纤维；②心肌的条纹纤维；③血管壁的平滑肌；④胃肠道壁的平滑肌。它们在氨基酸组分上有微小的差异（大约在400个氨基酸残基序列中有4-6个变异），在肌肉与非肌细胞中都还存在β及γ肌动蛋白，它们与具有横纹的α肌动蛋白可有25个氨基酸的差异。

G-肌动蛋白单体（含ATP）可聚合为呈纤维状的F-肌动蛋白（含ADP），它们可由Mg2+及高浓度的K+或Na+诱导而聚合，聚合后ATP水解为ADP及C-肌动蛋白ADP单体，组成F-肌动蛋白。在骨骼肌的细肌丝（thin filament，由肌动蛋白构成）与粗肌丝（thick filament，由肌球蛋白构成）相互作用而使肌肉收缩（肌球蛋白可以起作肌动蛋白激活的ATPase的作用）。肌球蛋白也存在于哺乳动物的非肌细胞中（但以非聚合状态存在）。

细胞骨架的第三种纤维结构称中间纤维（intermediate filament,IF），又称中间丝、中等纤维，直径介于微管和微丝之间(8nm-10nm)，其化学组成比较复杂。构成它的蛋白质多达5种，常见的有波形蛋白(vimentin)、角蛋白(keratin)、结蛋白、神经元纤维、神经胶质纤维。在不同细胞中，成分变化较大。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。中间纤维有共同的基本结构，即构建成一个中央α螺旋杆状区，两侧则是大小和化学组成不同的端区。端区的多样性决定了中间纤维外形和性质的差异和特异性。

以上这些结构单元并非是一成不变的，而是随细胞的生命活动而呈现高度的动态性，它们均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。

细胞骨架的染色与观察方法包括固定、透化、特异性标记及多种显微技术相结合的流程，以揭示其精细结构与动态变化。常用的固定方法采用甲醛或戊二醛，以保存细胞原有的骨架结构，随后利用Triton X-100等试剂透化细胞膜，使得抗体能进入细胞内部。免疫荧光染色法通过使用针对α/β-微管蛋白、肌动蛋白或中间纤维蛋白的特异性一抗，再辅以荧光标记的二抗，可清晰标记各类骨架成分；例如，针对微管的染色常选用抗微管蛋白抗体，而针对微丝则可以用荧光标记的phalloidin直接结合F-肌动蛋白，从而展示细胞皮质及内部分布的网状结构。为实时观察细胞骨架的动态变化，研究者常构建GFP、RFP等荧光融合蛋白表达系统，在活细胞中借助共聚焦显微镜或全内反射荧光显微镜（TIRF）进行成像，捕捉快速的重组与解组装过程。此外，透射电子显微镜（TEM）与扫描电子显微镜（SEM）提供了纳米级的分辨率，能够解析微管、微丝和中间纤维的超微结构细节；近年来，超分辨率显微技术如STED、SIM、PALM和STORM的应用，更是突破了传统光学显微镜的分辨极限，为观察细胞骨架的精微构造及其调控机制提供了新的视角。这些染色与观察方法相辅相成，为深入理解细胞骨架在形态维持、物质运输、细胞运动及分裂中的关键作用奠定了基础。

细胞骨架通过微管、中间纤维和微丝共同协作，保持细胞的形状。微管对细胞提供刚性支持，尤其在有些细胞类型中，微管帮助形成特定的细胞结构（如纤毛或鞭毛）。中间纤维则为细胞提供额外的机械强度，能够承受外界的物理压力。微丝在细胞表面形成网状结构，帮助维持细胞的柔性和形状。

在细胞分裂过程中，细胞骨架发挥着至关重要的作用。微管形成纺锤体，帮助将染色体正确分配到两个子细胞中。微丝则在细胞质分裂时形成收缩环，推动细胞分裂。细胞骨架的动态变化确保细胞能够顺利完成有丝分裂和减数分裂等过程。

细胞运动（如单个细胞的迁移或多细胞运动）依赖于细胞骨架的重塑。微丝在细胞运动中起到了核心作用，通过其聚合和解聚，推动细胞向目标方向移动。例如，白血球在免疫反应中的迁移、伤口愈合过程中的细胞迁移都涉及微丝的动态调节。此外，微管也在某些细胞的运动中发挥作用，如纤毛或鞭毛的摆动。

细胞骨架还参与细胞内部物质的运输。微管作为运输轨道，承担着细胞器、囊泡和其他物质的运输任务，常通过马达蛋白如动力蛋白和驱动蛋白来实现。微丝则在某些细胞类型中，特别是在肌肉细胞和神经元中，也参与物质的运输和细胞内结构的定位。

细胞骨架与细胞内外的信号转导通路紧密相连。通过与各种信号分子和受体的相互作用，细胞骨架在调节细胞响应外界刺激中发挥重要作用。例如，细胞骨架的重组能影响细胞对生长因子或激素的反应，从而调控细胞的增殖、分化等生物学行为。微丝和中间纤维在信号转导中起到“机械信号”的传递作用，通过连接细胞膜和细胞内部的信号通路，调节细胞的活动。

细胞骨架是细胞生命活动中不可缺少的细胞结构，其形成的复杂网络体系对细胞形态的改变和维持、细胞的分裂与分化、细胞内物质运输、细胞信息传递、基因表达等均具有重要意义。肿瘤、许多遗传性疾病、某些神经系统疾病等的发生均与细胞骨架的异常有关。临床上，常利用细胞骨架在不同细胞内的特异性分布的特征，来诊断某些疑难疾病，并依据细胞骨架与疾病的关系来设计并指导用药，开展防病治病。

细胞在病理情况下常常会出现细胞骨架系统异常。如阿尔茨海默症患者，在脑神经元中发现有大量扭曲变形的微管和大量受损的中间纤维；在恶性转化的细胞中，常表现为微管减少和解聚，细胞骨架异常可增强癌细胞的运动能力。研究表明，微丝束及其末端黏着斑的破坏以及肌动蛋白小体的出现，与肿瘤细胞的浸润和转移特性有关。

此外，中间纤维的分布具有严格的组织特异性，绝大多数肿瘤细胞在发生转移后仍表现其原发肿瘤的中间纤维类型，故可作为临床肿瘤的鉴别诊断和肿瘤细胞是否转移的判据。中间纤维显微技术与羊膜刺穿结合，可用于先天胎儿畸形的诊断，例如，若羊水中含有神经元纤维和神经胶质纤维细胞，则提示胎儿或有中枢神经系统畸形。

（一）细胞骨架在肿瘤细胞中的变化

机体中各组织细胞的结构和功能是密切相关的，细胞骨架无论在组装还是分布上若发生了变化，必将影响到细胞的功能。在恶性转化的细胞中，常表现为细胞骨架结构的破坏、组装和分布的异常、微管的解聚等。

我国学者对胃癌、鼻咽癌、食管癌、肺鳞癌、肺小细胞癌、肺腺癌、小鼠肉瘤等9株肿瘤细胞进行观察，发现肿瘤细胞质内免疫荧光染色的微管减少甚至缺失，且癌细胞的微管变化主要发生在间期，而在分裂期，纺锤体微管与正常细胞相同。用荧光抗体技术已证明，在长期传代的癌变细胞内微管显著减少。因此，微管数量的减少是细胞恶性转化的重要标志。而且肿瘤细胞内原有的微丝束明显减少甚至消失，常出现肌动蛋白凝聚小体；肿瘤细胞内的微丝分布异常，无序紊乱，常不与细胞膜相连。

肿瘤细胞的浸润转移是一个极其复杂的过程，在此过程中，某些细胞骨架成分的改变可增强癌细胞的运动能力。研究表明，微丝束和其末端黏着斑的破坏以及肌动蛋白小体的出现，可能与肿瘤浸润转移的特性有关，肌动蛋白小体形成，可能代表肿瘤细胞高转移的恶性表型。

（二）中间纤维与肿瘤诊断

中间纤维形态相似，但具有严格的组织特异性，不同类型的中间纤维严格地分布在不同类型的细胞中，故可根据中间纤维的种类区分上皮细胞、肌肉细胞、间质细胞、胶质细胞和神经细胞。在这几种纤维类型的基础上，中间纤维还可进一步分出若干亚型。因绝大多数肿瘤细胞在生长时，继续保持其来源细胞的中间纤维的种类、超微结构和免疫学特性，如癌是以上皮细胞的角质蛋白为特征的，肌肉瘤是以结蛋白、非肌肉瘤是以波形纤维蛋白、神经胶质瘤是以神经胶质纤维酸性蛋白、从交感神经来的肿瘤是以神经纤维蛋白（necotinamide protein）为特征的。所以，人们可根据中间纤维的种类，来鉴别、区分不同组织来源的肿瘤细胞及各肿瘤细胞的亚型，为肿瘤的诊断和治疗提供决定性的依据。

在临床上，中间纤维蛋白的荧光素标记抗体技术在细胞分类尤其是肿瘤细胞的鉴别上，具有广泛的应用前景。如采用角蛋白荧光素标记抗体确认上皮癌，用波形蛋白荧光素标记抗体确认淋巴肉瘤、黑色素瘤、骨肉瘤等，用结蛋白荧光素标记抗体确认肌细胞肉瘤，用神经纤维蛋白荧光素标记抗体确认神经母细胞瘤、神经节母细胞瘤、嗜铬细胞瘤等。

（三）微管和微丝与抗肿瘤药物

在有丝分裂的中/后期，秋水仙素和长春花碱等化合物可与纺锤体微管蛋白或微管结合，抑制细胞增殖。研究表明具有抗有丝分裂能力的药物如紫杉醇和长春新碱等抑制细胞增殖和杀死肿瘤细胞的主要机制是稳定纺锤体微管动力学，而不是使微管解聚或过度多聚化，在有丝分裂的中/后期抑制细胞分裂，诱导细胞凋亡。

细胞松弛素是真菌的代谢产物，也是研究最多且应用最广泛的微丝特异性工具药，它作用于肌动蛋白，可与微丝正端结合，抑制其聚合，使微丝解聚，导致细胞表面皮质层松解，引起细胞表面起泡，使微绒毛变成茬状物，细胞整体形态呈现树枝状化，并可抑制各种依赖于微丝的运动，具有抗肿瘤潜能。

阿茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）即早老性痴呆病，属微管遗传性疾病。对患者脑脊液分析发现，AD患者脑脊液中tau蛋白含量明显高于非AD患者和正常人，且其神经元中还可见到大量损伤的神经元纤维，它们由成对的螺旋状纤维（paired helical filament，PHF）和相对较直的纤维（straight filament，SF）组成，主要成分是高磷酸化状态的tau蛋白，其性能稳定。对死亡AD患者的大脑进行分析发现，神经元中微管蛋白的数量并无异常，但微管聚集缺陷。孤立的微管蛋白与结合的微管蛋白均可以高磷酸化的方式与其他配体结合形成稳定的tau蛋白。因为微管是轴浆流必需的细胞骨架，因此AD中微管聚集缺陷，可使微管聚合发生障碍，微管扭曲变形，可能引起轴浆流阻塞，导致神经元纤维包涵体的形成，从而使神经信号传递紊乱，影响轴质的物质运输，使神经元的营养和代谢产生障碍，从而出现痴呆现象。

Tau蛋白及其他一些细胞骨架蛋白的异常还可引起其他神经系统疾病，如运动神经元疾病、帕金森病、肌强直性营养不良等。

某些遗传性疾病常与细胞骨架的异常或细胞骨架蛋白基因的突变有关。WAS （Wiskoff-Aldrich syndrome）是一种遗传性免疫缺陷疾病，其特征是湿疹、出血和反复感染。研究表明，微丝的异常是引起WAS的根源所在。

随着研究方法和手段的不断改进，尤其是利用转基因小鼠或基因敲除小鼠进行研究，发现中间纤维与许多遗传疾病有关。人类遗传性皮肤病单纯性大疱性表皮松解症（epidermolysis bullosasimplex，EBS）是最典型的例证，该病是由角蛋白14（CK14）基因突变所致。

老年病学研究表明，老年人随着年龄的增加，机体各细胞均出现功能低下的表现。这与细胞骨架的数量、结构及功能的变化有关。动物实验表明，老龄动物的神经元内微管数量减少，腹腔巨噬细胞内的微丝数量减少，可影响神经信号传递，影响轴质的物质运输，影响神经元的营养和代谢，影响免疫机能，进而影响到细胞的功能。所以，老年人的衰老表现为脑功能衰退和机体免疫等多系统多功能的低下。

长期以来，人们认为细胞骨架仅为真核生物所特有的结构，但近年来的研究发现它也存在于细菌等原核生物中。原核生物中的细胞骨架主要由一些不同于真核细胞的蛋白质构成，包括FtsZ、MreB 和CreS等。

FtsZ蛋白在原核细胞分裂中起着类似微管的作用，形成一个环状结构帮助细胞分裂。FtsZ 是原核生物分裂的关键蛋白，具有与真核细胞微管蛋白类似的功能。

MreB蛋白在细菌细胞的形态保持和变形中发挥关键作用，类似于真核细胞中的微丝。MreB 蛋白在细胞壁的合成和细胞形态的稳定中起着重要作用。

CreS蛋白与弯曲细菌的形态调控相关，类似于真核细胞中的中间纤维。CreS 使得细菌保持弯曲形状，参与细胞的形态控制。

细胞骨架在临床应用中具有广泛的潜力，特别是在癌症、神经退行性疾病、肌肉疾病、免疫系统疾病和再生医学等领域。在癌症治疗中，通过靶向微管等细胞骨架成分，可以抑制肿瘤细胞的增殖和转移；在神经退行性疾病中，恢复细胞骨架功能有助于缓解神经元损伤；在肌肉疾病中，调节细胞骨架的功能有助于改善肌肉收缩和修复；在免疫系统疾病中，细胞骨架的改变可能影响免疫细胞功能，因此调节细胞骨架可以改善免疫应答；此外，细胞骨架的动态调节也在创伤修复和器官再生过程中发挥重要作用。随着研究的深入，细胞骨架的调控将为治疗多种疾病提供新的可能。