驱动蛋白及其作用研究进展

刘 梅，徐 娜，阮世龙，孙学松，胡健饶

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

驱动蛋白及其作用研究进展

刘 梅，徐 娜，阮世龙，孙学松，胡健饶

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

驱动蛋白是一种非常重要的细胞内运输“货物”的分子马达，它沿着微管运动来行使其功能.介绍了驱动蛋白的结构、运动及物质运输机制、在精子发生过程中的功能以及在抑制癌症过程中的作用,并对驱动蛋白及其作用研究存在的问题进行了探讨，为今后更进一步深入研究和认识驱动蛋白提供有价值的新信息、新思路.

驱动蛋白；微管；功能; 分子马达

分子马达 (molecular motor) 是生物体细胞内一类具有马达功能的蛋白质大分子，在生物体的生命活动中为细胞内物质的运输提供动力，它们可以沿着肌动蛋白纤维和微管向两极运送货物.驱动蛋白 (kinesin) 是一类能利用ATP水解所释放的能量驱动自身及所携带的货物分子沿微管运动的马达蛋白，与细胞内物质运输有关[1]，是1985年美国加州大学的Vale等[2]首次在鱿鱼和哺乳动物神经组织进行蛋白生化分馏实验中发现的.到目前为止，在人和小鼠体内共发现45种驱动蛋白，它们分属14个蛋白家族[1].根据马达结构域在重链上的位置不同，将驱动蛋白划分为3种类型：马达结构域在C末端的C-kinesin，马达结构域在中间的M-kinesin和马达结构域在N末端的N-kinesin.大多数的驱动蛋白是属于N-末端的N-kinesin，结合其它一些相关特征，可以将N-kinesin进一步分成11个种类，M-kinesin只有1个种类，C-kinesin有2个种类[1].驱动蛋白广泛存在于生物体内，它们参与了大量的生命活动过程，能利用ATP水解所产生的能量参与DNA遗传物质的复制，遗传物质的转录、翻译以及细胞分裂等过程[3].此外，驱动蛋白 (kinesin) 是蛋白质运输和细胞内膜泡运输的动力之一，可以把核糖核蛋白体 (FNP) 、蛋白复合体以及细胞器运输到生物体需要的特定部位[3]，除了具有上述功能之外，它们还参与牵拉线粒体进行运动及细胞的迁移过程[4-5].细胞器及生物大分子物质在细胞内的定位与驱动蛋白的功能密切相关，任一物质的错误定位都会影响其功能的发挥，甚至可能导致细胞和个体的死亡.由此可见，生物正常生命活动的进行及人类疾病的发生在一定程度上与驱动蛋白有关，因此，对驱动蛋白功能的深入研究可为解释生物生命活动现象和探究人类疾病病理提供理论依据.

1 驱动蛋白的结构

驱动蛋白是由驱动蛋白单体组成的多聚体，其典型的结构包括两条重链 (KHC)和两条轻链 (KLC).用低角度旋转投影 (low angle rotary shadowing) 电子显微镜技术观察发现：驱动蛋白分子通常是一条长80 nm的杆状结构，其中一端是驱动蛋白的头部 (heads) ，由2个直径10 nm的球状结构组成，另一端是呈扇形的尾部 (fan like end) ，连接头部和尾部的铰链区呈杆状，是驱动蛋白的颈部 (stalk domain) ，球状的头部和杆状的颈部是由重链聚合而成，扇状的尾部则是由重链和轻链组成.球状头部的马达结构域上具有ATP结合位点和微管结合位点，驱动蛋白的颈部区域比较柔韧，能够改变自身的运动方向，尾部能够识别膜状细胞器及囊泡物质，主要负责细胞内货物的绑定.驱动蛋白家族成员都拥有家族的一个公共元件——马达结构域，由350个氨基酸组成[6].

2 驱动蛋白的运动及物质运输机制

驱动蛋白的头部依附在微管上，利用ATP水解释放的能量来驱动自身及其携带的货物分子运动.微管是胞质内细胞器最长距离运输的轨道[7]，微管的基本结构具有周期性，微管的每一根纵向原纤维都是由α和β两种微管蛋白亚基交替螺旋排列而成，由这两种微管蛋白形成了微管蛋白二聚体，这样的微管蛋白二聚体长8 nm.α和β微管蛋白交替螺旋形成的结构中，这两种亚基均可结合GTP，与α微管蛋白结合的GTP是不能水解的，但与β微管蛋白结合的GTP是能水解的，与β微管蛋白相结合的GDP也能被交换成GTP.驱动蛋白只和β亚基结合，因β微管蛋白相结合的GDP可以被GTP所替代，通过水解GTP释放的能量来驱动自身运动[6].微管具有正负极，微管在进行组装时，装配较慢的一端是负极，装配较快的一端是正极[8].

驱动蛋白在真核细胞的发育过程中以微管为轨道，拖动货物做持续运动，其中马达结构域位于重链N-端，能通过ATP水解提供的能量从微管的负极向微管的正极运动，而马达结构域位于重链C-端的驱动蛋白通过ATP水解提供的能量向相反的方向运动，运动过程中它们和微管之间存在着弱的氢键作用.驱动蛋白沿微管运动的过程中，会发生一些构象变化伴随化学能量的转移[9].有实验证明，驱动蛋白与微管处于强的结合态时，ATP与驱动蛋白也处于强结合态，而处在ATP 水解后的ADP结合态时，驱动蛋白与微管的结合变弱[10].

在驱动蛋白沿微管运动的过程中，球状的马达结构域与ATP结合，在ATP水解释放能量的同时，驱动蛋白自身的构象发生变化而相偶联，从而使两个球状头部交替与微管上的特定位点相结合，并且以交臂的方式 (hand-over-hand) 一步一步进行运动，每运动一步水解一个ATP，整个分子沿微管前进8 nm[11].深入研究发现，驱动蛋白的运输不仅是沿着单一轨道来运输物质，还可以有多种运输方式，特别是单分子荧光技术的运用，人们发现驱动蛋白不但可以单独运输物质而且还可以集体协作，不仅可以沿单一轨道前进而且也可以在前进中变换轨道[12].伴随着显微技术的出现，研究发现生物体细胞内的物质沿轨道前进的距离大于单分子马达运输的距离，细胞内的物质是由多个分子马达协作完成的[12].例如，细胞内的脂肪滴通常是由多个驱动蛋白共同协作沿微管完成的，由多个驱动蛋白共同运输的方式可以产生较大的动力，即使在粘稠的细胞质中物质也可以以较快的速度前进[13].此外，研究还发现驱动蛋白也可以与肌球蛋白共同协作运输物质，这种运输方式会引起较强的电相互作用，结果它们前进的距离要比两者单独运输的距离远[14].在纵横交错的微管中，驱动蛋白通常会遇到轨道交叉的情况，单个驱动蛋白遇到微管-微管交叉时，体积较小的单驱动蛋白很容易从微管上面或下面穿过继续沿原微管前进，但当多个驱动蛋白共同运送物质遇到轨道交叉时就会发生转轨[15].

驱动蛋白携带货物沿微管能持续向前运动的原因有两个：一是，每个驱动蛋白分子中的两个球状马达结构域具有相互协调的机械化学循环，一个球状马达结构域与微管结合后，另一个球状马达结构域才会从微管上游离下来，这种协调使马达蛋白分子以“hand-over-hand”方式前进；另外一个原因，驱动蛋白在沿微管持续运动的过程中，在ATPase循环的大部分时间里，马达结构域都与微管表面紧密结合，使马达蛋白所携带的货物就不会从微管上掉下来[11,16].

3 驱动蛋白的作用

真核细胞内部是高度区域化的，细胞中物质的合成部位与行使功能部位往往是不同的，物质要想前往行使功能的部位，必须经过细胞内的定向运输，才能从合成部位到达行使功能的部位.在驱动蛋白运输货物的过程中，微管作为细胞内小泡及颗粒状物质运输的轨道，而物质运输的动力则来自与驱动蛋白球状马达结构结合的ATP，驱动蛋白的“头部”具有ATP酶活性，能够通过头部进行水解ATP来获得能量，改变头部的构型沿微管运动.

3.1 驱动蛋白在精子发生过程中的作用

近年来在各个物种和各个组织中不断发现驱动蛋白超家族的成员，同时，越来越多的研究者将目光转向了与生殖细胞相关的驱动蛋白，研究驱动蛋白在动物精子发生过程中的重要功能.在精子发生过程中，从精细胞到成熟精子的发育过程中，涉及细胞结构上的剧烈重组，这些细胞学事件有着复杂的内在分子机制，并受到多种信号的内在调节和其它细胞因子的调控，驱动蛋白是其中之一.

在小鼠的精子发生过程中，KIF17b参与了RNA和转录激活因子在细胞核与细胞质之间的运输，并且还与拟染色质的运动以及拟染色质中的物质转运有着密切的关系[17].在小鼠精子尾部的主段，KIF17b与spatial共同定位，共同参与了精细胞的分化，并进一步维持亚细胞结构[18-19]；KRP3A和KRP3B定位于圆形精细胞的顶体部位，它们在精细胞变形成熟的过程中与核质转运所需的GTP酶Ran相互作用[20].Kinesin-II是异原三聚体，主要定位于精子的中段以及鞭毛处，参与精子鞭毛内的物质运输，主要负责鞭毛内物质的顺行转运，对于鞭毛结构的形成与维持具有重要作用[21-24].KLC3分布在精子的尾部，可作为线粒体中段的组成部件维持细胞的亚细胞形态[25].

在两栖爬行动物东方蝾螈的精子发生过程中，N-末端驱动蛋白KIF3A参与精子鞭毛的形成[22].在中华绒螯蟹和罗氏沼虾等甲壳类动物的精子形成过程中发现，KIFC1类似基因参与精核形变和顶体发生[26-30].在嘉庚鞘精子发生过程中发现，KIF3A和KIF3B以二聚体的形式通过鞭毛内运输和微管套内运输来参与精细胞核形变及尾部的形成[23].总之，驱动蛋白在动物精子发生过程中发挥了不可替代的作用.

3.2 疾病发生和驱动蛋白功能异常的关系

生物体内的多种生命活动都有驱动蛋白的参与，而且多种疾病的发生都与其运输过程相关，驱动蛋白控制机制的研究对驱动蛋白受阻引发多种疾病的发生具有极其重要的意义，目前也是生物医学界研究的热点之一.卵巢癌是女性生殖系统中最常见的恶性肿瘤之一，研究发现，驱动蛋白KIF4A低浓度表达可以促进人体卵巢癌细胞SKOV3的扩散、迁移[31]，并且KIF4A在染色体的浓缩、排列、纺锤体的形成及胞质的分裂中起重要作用[32].PARP-1是真核细胞中的一种蛋白修饰酶，在细胞凋亡和维持基因组稳定性中具有重要作用，研究发现KIF4A可以通过调节PARP-1的活性来调节细胞的凋亡[33]，体外实验研究发现KIF4A功能异常就会增强肺癌细胞的侵袭力[34].在有丝分裂过程中，纺锤体驱动蛋白 (KSP) 对纺锤体的分离和两极纺锤体的正常形成起着至关重要的作用.抑制纺锤体驱动蛋白的活性将会导致细胞有丝分裂的停滞及特征性单极纺锤体的形成，这样就会最终导致细胞死亡[35].结合蛋白Tau分布在动物脑细胞的微管上，在正常情况下，驱动蛋白和Tau结合沿微管运输物质，在Tau磷酸化异常时，驱动蛋白就不能与Tau正常结合，此时，驱动蛋白运动受阻引起脑神经病变，就是所谓的老年痴呆症(Alzheimer's disease)[36].C末端驱动蛋白KIFC3最早是在肾上皮细胞中发现的，它对于上皮细胞极化现象有很重要的作用[37]，此外，它在胆固醇衰竭的情况下能够维持高尔基体的稳态性[38].KIF1Bβ及其等位基因的缺失可能导致神经母细胞瘤和其它癌症的发生[39].体外实验表明，单个错义突变就能破坏KIF5A以微管为轨道的运输活性，编码KIF5A马达结构域或者是中间的杆状区的DNA发生了一个错义突变就会引发遗传性痉挛性截瘫[40].

3.3 驱动蛋白的其它功能

驱动蛋白在细胞的整个生命活动中为所需货物的运输提供动力，并且参与细胞的生长发育、神经元的发育、信号传导、mRNA和蛋白质的运输、间期细胞中内质网从核膜向周缘的扩展、膜性细胞器的运输、鞭毛游动、纤毛摆动、微管多聚体的动力学控制、信号传导等[41-42].

4 展 望

驱动蛋白由于具有特殊的动力学特性引起了科学界人士对其广泛的兴趣，近些年在研究的各个领域都有关驱动蛋白的报道.综述有关驱动蛋白的研究成果发现主要集中在静态的功能推测和分析上，至于驱动蛋白在工作过程中的分子机制还不清楚.

驱动蛋白是一种马达蛋白，结合ATP携带细胞所需货物沿微管正极向负极运动.目前驱动蛋白的运动机制还不清楚，考虑到电相互作用与生物分子之间的影响，研究者提出化学—电学—力学三个过程耦合的模型，解释驱动蛋白运动的过程.为了理解驱动蛋白在细胞内功能的分子机制，我们首先在静态水平上利用Western blot、免疫荧光、免疫电镜和免疫共沉淀等分子生物学技术分析驱动蛋白的功能，其次在动态水平上利用基因敲除、基因及蛋白过表达、荧光分子标记等分子生物学技术相结合，另一方面，像哺乳动物等一些相对高等的动物身体结构比较复杂，难以控制，我们可以分离相关的功能性细胞进行无菌培养或者采用结构比较简单的线虫等为研究对象.研究发现，在癌症细胞中驱动蛋白表达失调，它们与癌症的发展、侵袭和转移有很高的相关性，但是在癌症中它们的高表达量的分子机制还不清楚.通过信号通路分析，驱动蛋白的表达可以提高癌细胞对紫衫烷类的敏感性，还能提高癌细胞的扩散及促使癌细胞的侵袭和转移，因此，驱动蛋白可以作为分子干扰的靶子，进而开发以驱动蛋白为靶标的化疗药物.

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ResearchProgressofKinesinandItsFunctions

LIU Mei, XU Na, RUAN Shilong, SUN Xuesong, HU Jianrao

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Kinesin is a kind of important microtubule-based molecular motor that transport "cargo" in cells. This paper introduced kinesin's structure, movement and material transportation mechanism, the functions in the process of the spermatogenesis and the effects on inhibiting cancer, discussed existent problems in the researches, and provided valuable new information and new ideas for the further researches of kinesin in the future.

kinesin; microtulbule; function; molecular motor

2012-04-13

胡健饶(1967—),男，副教授，博士，主要从事动物发育及生殖生物学研究.E-mail:hujianrao@126.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.01.008

Q956；Q71

A

1674-232X(2013)01-0040-05