细胞器标志物，你知道多少？

Fig. 1. Components of a typical animal cell

1. 核仁

核仁是细胞核中的一个小体，动植物细胞都含有核仁。它是细胞核内的生产核糖体前体的机器，含有蛋白质和RNA，所有真核生物核糖体RNA(rRNA)的转录都是在核仁中完成的，其过程是由rDNA转录成rRNA，rRNA再与来自细胞质的蛋白质结合，进而加工、改造成核糖体的前体，然后输出到细胞质。

核仁主要由三个组分组成，分别是致密纤维组分（DFC），纤维中心（FC）和颗粒组分（GC）^[1]。DFC是由致密的纤维构成，是核仁中电子密度最高的部分，是新合成的rRNA及其结合蛋白存在的场所，rRNA.剪切和加工场所；FC是被DFC包围的一个或几个低电子密度的圆形结构区域，主要成分为rDNA，可看成rRNA.基因储存的场所；GC是由核糖核蛋白颗粒构成，是正在加工成熟的核糖体亚单位的前体颗粒，容易被蛋白酶和RNase（核糖核酸酶）^[2]。

核仁的形状、大小、数量会因生物种类、细胞类型和生理状态而异，但其功能却是相同的，主要是进行核糖体与RNA(rRNA)的合成。核仁还可以作为细胞核中细胞器的悬浮介质。此外，作为DNA的染色体的主要来源之一，核仁在维持细胞核的形态中也发挥着重要作用。除了这些功能，核仁还包括离子和重要物质的运输。这里，我们整理了核仁的常见标志物，如表一所示：

Table 1. The markers of nucleolus

2. 细胞核

Fig.2. The Structure of Nucleus

细胞核(nucleus)的主要构造为核膜，是一种将细胞核完全包覆的双层膜，可使膜内物质与细胞质、以及具有细胞骨架功能的网状结构核纤层分隔开来。这种膜结构与细胞的内质网是连续的，称为核膜。核膜上有允许小分子与离子进入的孔（因为多数分子无法直接穿透核膜），而如蛋白质般较大的分子，则需要载体蛋白的帮助才能通过。核运输是细胞中最重要的功能；基因表现与染色体的保存，都依赖于核孔上所进行的输送作用

哺乳动物细胞中细胞核的平均直径约为6μm，约占细胞总体积的10％。细胞核中的粘性液体被称为核质，组成与细胞核外发现的细胞质类似。细胞核的干重组成成分分别为：DNA 9％，RNA 1％，组蛋白11％，残留蛋白14％，酸性蛋白65％^[4]。在某些类型的白细胞中，特别是大多数粒细胞，细胞核是叶状的，并且可以以双叶，三叶或多叶细胞器的形式存在。

细胞核作为一个遗传转录位点，与细胞质中翻译位置是分开的，是真核细胞内最大、最重要的细胞结构，是细胞遗传与代谢的调控中心，是真核细胞区别于原核细胞最显著的标志之一^[3]，最主要功能是在细胞周期中控制基因表达并介导DNA的复制。表二中是细胞核结构的主要标志物：

Table 2. The Markers of Nucleus

细胞器	蛋白名称	基因名	Uniprot ID
Nucleus	Anillin	ANLN	Q9NQW6
nucleolus	Set1/Ash2 histone methyltransferase complex subunit ASH2	ASH2L	Q9UBL3
nucleolus	Emerin	EMD	P50402
nucleolus	RNA-binding protein FUS	FUS	P35637
nucleolus	G-protein coupled estrogen receptor 1	GPER1	Q99527
nucleolus	Histone H1.0	H1F0	P07305
nucleolus	Histone H2A.Z	H2AFZ	P0C0S5
nucleolus	NF-kappa-B essential modulator	IKBKG	Q9Y6K9
nucleolus	Transcription factor AP-1	JUN	P05412
nucleolus	Lysine-specific histone demethylase 1A	KDM1A	O60341
nucleolus	Nucleolin	NCL	P19338
nucleolus	MKI67 FHA domain-interacting nucleolar phosphoprotein	NIFK	Q9BYG3
nucleolus	Nucleophosmin	NPM1	P06748
nucleolus	Nuclear pore glycoprotein p62	NUP62	P37198
nucleolus	Poly [ADP-ribose] polymerase 1	PARP1	P09874
nucleolus	Histone-lysine N-methyltransferase SETDB1	SETDB1	Q15047
nucleolus	SUN domain-containing protein 2	SUN2	Q9UH99
nucleolus	Torsin-1A-interacting protein 1	TOR1AIP1	Q5JTV8

3. 核糖体

核糖体（Ribosome），广泛分布于细胞质中，除哺乳动物成熟的红细胞，植物筛管细胞外，细胞中都有核糖体存在。一般而言，原核细胞只有一种核糖体，而真核细胞具有两种核糖体（其中线粒体中的核糖体与细胞质核糖体不相同）。需要指出的是，因为核糖体的结构和其他细胞器有显著差异，如没有膜包被、由两个亚基组成、因为功能需要可以附着至内质网或游离于细胞质，核糖体有时不被认为是一类细胞器，而是细胞内大分子。原核生物和真核生物中组成核糖体的亚基不一样，如表三所示：

Table 3. Compared the ribosome components of eukaryote with prokaryote

核糖体在细胞中负责完成“中心法则”里由RNA到蛋白质这一过程，也就是常说的“翻译”。在进行翻译前，核糖体小亚基会先与从细胞核中转录得到的mRNA结合，再结合核糖体大亚基构成完整的核糖体之后，便可以利用细胞质基质中的tRNA运送的氨基酸分子合成多肽。当核糖体完成对一条mRNA单链的翻译后，大小亚基会再次分离。常见的核糖体标志物如下：

Table 4. Markers of ribosome

4. 内质网

内质网是细胞内的一个精细的膜系统。是交织分布于细胞质中的连续膜结构，并与核膜的外膜相连。两膜间是扁平的腔、囊或池。除红细胞和精子细胞之外，所有的细胞都含有内质网。依据不同的功能，内质网有两种类型，一类是在膜的外侧附有许多小颗粒（核糖体），这种附有颗粒的内质网叫粗糙型内质网；另一类在膜的外侧不附有颗粒，表面光滑，称光滑型内质网。

粗糙型内质网的功能是合成蛋白质 大分子，并把它从细胞输送出去或在细胞内转运到其他部位。凡蛋白质合成旺盛的细胞，粗糙型内质网便发达。在神经细胞中，粗糙型内质网的发达与记忆有关。光滑型内质网的功能与糖类和脂类的合成、解毒和同化作用有关，并且还具有运输蛋白质的功能。内质网结构的标志物包括BCAP31、CALR、CANX、CYP2E1等等。

Table 5. Markers of Endoplasmic Reticulum

5. 高尔基体

高尔基体（Golgi apparatus），又称高尔基复合体，是由单位膜构成的扁平囊叠加在一起所组成。扁平囊为圆形，边缘膨大且具穿孔。一个细胞内的全部高尔基体，总称为高尔基器，是真核细胞中内膜系统的组成之一。一个高尔基体通常具5—8个囊，囊内有液状内含物，是由意大利细胞学家卡米洛高尔基于1898年首次用硝酸银染色的方法在神经细胞中发现的。通常包含扁平膜囊（saccules）、大囊泡（vacuoles）、小囊泡（vesicles）三个基本成分。

高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分拣、与运输，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。它是完成细胞分泌物（如蛋白）最后加工和包装的场所。从内质网送来的小泡与高尔基体膜融合，将内含物送入高尔基体腔中，在那里新合成的蛋白质肽链继续完成修饰和包装。高尔基体还合成一些分泌到胞外的多糖和修饰细胞膜的材料。通常用于鉴定高尔基体的标志物如下：

Table 6. Markers of Golgi Apparatus

6. 细胞骨架

细胞骨架（cytoskeleton）在狭义上是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系，是由微管（microtubule，MT)、微丝 (microfilament，MF)及中间纤维(intermediate filament， IF)组成的体系。它所组成的结构体系称为“细胞骨架系统”，与细胞内的遗传系统和生物膜系统并称“细胞内的三大系统”。

Table 7. Comparison of Three Types of Cytoskeleton

广义上的细胞骨架概念是细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和胞外基质所形成的网络体系，细胞器的一种。核骨架、核纤层与中间纤维在结构上相互连接，贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。

细胞骨架不仅在维持细胞形态，承受外力、保持细胞内部结构的有序性方面起重要作用，而且还参与许多重要的生命活动，如：在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离，在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞(白血球)的迁移、精子的游动、神经细胞 轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。另外，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。通常用于鉴定细胞骨架的标志物如下：

Table 8. Markers of Cytoskeleton

7. 线粒体

Fig.3. The structure of mitochondrion

线粒体(mitochondrion)是一种存在于大多数细胞中的细胞器，是细胞中制造能量的结构，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为“power house”。它的形状通常是从圆形到椭圆，直径在0.5到1.0μm左右，由2层磷脂双分子层包裹。由于外膜和内膜的不同特性，线粒体被分割成五个不同的部分，分别是线粒体外膜、膜间隙（外膜和内膜之间）、线粒体内膜、嵴（ 由内膜的内陷形成）和基质（内膜内）。如图3所示。

除了溶组织内阿米巴、篮氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外，大多数真核细胞或多或少都拥有线粒体，但它们各自拥有的线粒体在大小、数量及外观等方面上都有所不同。

线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系，但其基因组大小有限，是一种半自主细胞器。除了为细胞供能外，线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程，并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。常见的线粒体标志物如表9中所示：

Table 9. Markers of Mitochondrion

Organelle	Protein Name	Gene Name	Uniprot ID
Mitochondria	Apoptosis-inducing factor 1， mitochondrial	AIFM1	O95831
Mitochondria	Cytochrome c oxidase subunit 4 isoform 1， mitochondrial	COX4I1	P13073
Mitochondria	Carbamoyl-phosphate synthase [ammonia]， mitochondrial	CPS1	P31327
Mitochondria	FAST kinase domain-containing protein 2， mitochondrial	FASTKD2	Q9NYY8
Mitochondria	Hexokinase-1	HK1	P19367
Mitochondria	Heat shock 70 kDa protein 1A	HSPA1A	P0DMV8
Mitochondria	60 kDa heat shock protein， mitochondrial	HSPD1	P10809
Mitochondria	Mitochondrial dynamics protein MID51	MIEF1	Q9NQG6
Mitochondria	Cytochrome c oxidase subunit 1	MT-CO1	P00395
Mitochondria	NADH dehydrogenase [ubiquinone] iron-sulfur protein 7， mitochondrial	NDUFS7	O75251
Mitochondria	Mitochondrial import inner membrane translocase subunit TIM16	PAM16	Q9Y3D7
Mitochondria	Prohibitin	PHB	P35232
Mitochondria	Superoxide dismutase [Cu-Zn]	SOD1	P00441
Mitochondria	Mitochondrial import receptor subunit TOM22 homolog	TOMM22	Q9NS69
Mitochondria	Elongation factor Tu， mitochondrial	TUFM	P49411
Mitochondria	Mitochondrial brown fat uncoupling protein 1	UCP1	P25874
Mitochondria	Mitochondrial uncoupling protein 2	UCP2	P55851
Mitochondria	Mitochondrial uncoupling protein 3	UCP3	P55916
Mitochondria	Voltage-dependent anion-selective channel protein 1	VDAC1	P21796

8. 溶酶体

溶酶体是一种几乎存在于所有类型的真核细胞中的亚细胞器，主要负责消化大分子、衰老细胞器和微生物。1955年由比利时细胞学家Christian Rene de Duve在鼠肝细胞中发现。

溶酶体为单层膜包被的囊状结构，大小（在电镜下显示多为球形，但存在橄球形）直径约0.025-0.8μm。溶酶体含有多种水解酶，可分解吞噬的各种大分子，包括核酸、蛋白质和多糖。这些酶仅在溶酶体内部的酸性环境下有活性，这种酸依赖性活性可避免细胞在溶酶体渗漏或破裂的情况下发生自我降解。除了能够分解聚合物外，溶酶体还能够与其他细胞器融合并消化大型结构或细胞碎片。它们可以通过与吞噬体融合进行自噬和清除受损结构。

在下表10中，我们列举了溶酶体研究中的几种标记。

Table 10. Markers of Lysosome

9. 中心体

中心体是动物细胞中的一种重要的细胞器，常位于细胞核附近的细胞质中，每个中心体主要含有两个中心粒。在有丝分裂期间，中心体分成两部分分别迁移到细胞的两极，并参与有丝分裂纺锤体的形成和微管的组装，同时还可以调节细胞周期进程。

Fig.4. The structure of Centrosome

典型的真核细胞中心体由一对中心粒组成。中心粒周围为云状电子致密物，称为中心粒周围物质（PCM），中心粒周围物质围绕2个中心粒。中心粒由9组三联体微管组成，形成一桶状结构。中心粒的直径为0.16～0.23μm，长度变动于0.16～0.56μm之间，成对相互垂直排列^{[5] [6] [7]}。在有丝分裂后的细胞中，中心体含有一个称为母中心粒的成熟中心粒和在前一个细胞周期中组装的未成熟中心粒，即雌性中心粒，约为母中心粒长度的80％^[8]。母体中心粒的特征在于其远端有两组九个附肢^[9]。常见的中心体标志物总共有11个，如表11所示：

Table 11. The Markers of Centrosome

Organelle	Protein Name	Gene Name	Uniprot ID
Centrosome	Centriolar coiled-coil protein of 110 kDa	CCP110	O43303
Centrosome	Centromere protein J	CENPJ	Q9HC77
Centrosome	Centrosome-associated protein CEP250	CEP250	Q9BV73
Centrosome	Centrin 1	CETN1	Q12798
Centrosome	Dynein light chain 4， axonemal	DNAL4	O96015
Centrosome	Ninerin	NIN	Q8N4C6
Centrosome	Ninein-like protein	NINL	Q9Y2I6
Centrosome	NUAK family SNF1-like kinase 2	NUAK2	Q9H093
Centrosome	Pericentriolar material 1 protein	PCM1	Q15154
Centrosome	Pericentrin	PCNT	O95613
Centrosome	Tubulin gamma-1 chain	TUBG1	P23258

10. 细胞膜

细胞膜又称质膜，是由磷脂构成的富有弹性的半透性膜，膜厚8-10nm，对于动物细胞来说，其膜外侧与外界环境相接触。根据膜在体内的位置和作用，脂质在膜中的占比从20%-80%不等，其他的是蛋白质。

细胞膜的主要功能是细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它保证了细胞内环境的相对稳定，使各种生化反应能够有序运行。但是细胞必须与周围环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成特定的生理功能，因此细胞必须具备一套物质转运体系，用来获得所需物质和排出代谢废物。据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的三分之二。

膜的另一个功能是通过胞吞作用和胞吐作用的平衡来调节细胞生长。在胞吞作用中，含有脂质和蛋白质的囊泡与细胞膜融合，增加细胞大小作为内化物质。在胞吐作用中，从细胞膜中除去含有脂质和蛋白质脂质和蛋白质的囊泡。其常见的标志物如表12所示：

Table 12. The Markers of Cell Membrane

11. 染色质

染色质（chromatin）最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后强烈着色的物质。它是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合物。在真核细胞分裂过程中，染色质会凝聚形成染色体。在这一块的研究中，我们经常会将染色质和染色体弄混，它们的组成成分都是DNA和蛋白质，不过是同一物质在细胞分裂间期和分裂期的不同形态表现而已。染色质出现于间期，呈丝状。它们在核内的螺旋程度不一，螺旋紧密的部分，染色较深，有的螺旋松疏染色较浅，染色质在光镜下呈现颗粒状，不均匀地分布于细胞核中。

染色质的主要功能是将DNA浓缩成一个紧凑的单元，这个单元体积较小，可以放入细胞核内，为很多细胞过程的发生提供场所，包括DNA复制、转录、修复、基因重组和细胞分裂。常见的染色质标志物如表13所示：

Table 13. The Markers of Chromatin

12. 自噬体

自噬体是由从粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜包裹部分胞质和细胞内需降解的细胞器、蛋白质等成分组成的细胞器。自噬体形成后会与溶酶体融合成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物，以实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。自噬体常见的标志物有两个，分别是MAP1LC3B和SQSTM1。

13. 纤毛

纤毛是微观的毛发状结构，从一些动物细胞的表面伸出的、能运动的突起。典型纤毛的长度为1~10μm，宽度通常小于1μm。它们通常分为两类：运动型和非运动型。运动型纤毛，存在于呼吸道、中耳等部位。纤毛运动通常是多个纤毛一起以挥鞭式的方式运动，以此来保持敏感的内部通道不受粘液或外来颗粒的影响。唯一一个具有单个移动的纤毛的体细胞是精子细胞。

非运动纤毛在不同的器官作用也不一样。有些是充当天线接收细胞的感官信息，处理来自其他细胞或其周围液体的信号。例如，当尿液流过时，肾脏中的纤毛被迫弯曲，从而向其正在流动的细胞发送信号。眼内的非运动纤毛被收容在视网膜的光感受器中，在分子的传输中起关键作用。纤毛的常见标志物只有3个，分别是ARL3B、IFT88和RAB23。

14. 核内体

核内体（Endosome），又称内体，指的是一种真核细胞中通过内吞作用形成的膜结合细胞器，属于一种囊泡结构。核内体可根据细胞内吞作用的不同时间阶段分为初级内体、次级内体和再循环体[10]。它们是通过内吞物质到达的时间来区分。一旦在内吞作用中的 囊泡被释放，它们首先与初级内体融合，之后再成长为次级内体并与溶酶体融合^{[11] [12] [13]}。常见的标志物如表14所示：

Table 14. The Markers of Endosome

15. 外泌体

1983年，外泌体首次于绵羊网织红细胞中被发现，随后，1987年Johnstone将其命名为“exosome”^[14]。外泌体是指包含了复杂 RNA 和蛋白质的小膜泡 (30-150nm)，现今，其特指直径在40-100nm的盘状囊泡。多种细胞在正常及病理状态下均可分泌外泌体。其主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体，经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中。目前已报道的外泌体标志物如表15所示：

Table 15. The Markers of Exosome

16. 过氧化物酶体

Fig.5. The structure of peroxisome

过氧化物酶体，又称微体，是由一层单位膜包裹的囊泡结构， 直径约为0.5～1.0μm， 通常比线粒体小。与 溶酶体不同，过氧化物酶体不是来自 内质网和 高尔基体，因此它不属于 内膜系统的 膜结合细胞器。过氧化物酶体普遍存在于 真核生物的各类细胞 中，但在 肝细胞和 肾细胞中数量特别多。

过氧化物酶体内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。左图示：中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心

Table 16. The Markers of Peroxisome

Organelle	Protein Name	Gene Name	Uniprot ID
Peroxisome	ATP-binding cassette sub-family D member 4	ABCD4	O14678
Peroxisome	Catalase	CAT	P04040
Peroxisome	Matrix metalloproteinase-9	MMP9	P14780
Peroxisome	ATP-binding cassette sub-family D member 3	ABCD3	P28288
Peroxisome	Acyl-coenzyme A thioesterase 8	ACOT8	O14734
Peroxisome	Peroxisome biogenesis factor 1	PEX1	O43933
Peroxisome	Peroxisomal biogenesis factor 3	PEX3	P56589
Peroxisome	Peroxisomal targeting signal 1 receptor	PEX5	P50542