微管解聚驱动蛋白Kinesin-13的功能与作用机理

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微管解聚驱动蛋白 Kinesin-13 的功能与作用机

理

来源：学术堂作者：周老师

发布于：2015-08-06 共8306 字

细胞的微管是细胞内骨架结构之一，对细胞生命活动起至关重要的作用，如细胞正常形态构

建与维持、细胞内货物运输、细胞迁移、细胞分裂等[1,2]. 细胞功能的发挥依赖于细胞微管的

动态不稳定性以及可调控性，尤其是细胞在时间与空间上对其进行精确的调控。细胞微管除

了形成细胞内的骨架结构，还可以在细胞分裂时期形成有丝分裂的纺锤体以及在细胞间期形成

“ ”突出于细胞表面的特异化细胞器，称之为纤毛（或鞭毛）。纤毛作为细胞表面突出的天线 ,

“ ”既可以作为运动器官，也可以作为信号接收器 , 介导了细胞的运动与信号转导。

细胞微管由 a和b 微管蛋白构成，两者形成异源二聚体首尾衔接组成微管原丝， 13 根微管原

丝组成的圆筒状结构形成了典型的微管，其直径 24~26 nm,壁厚 5 nm, 中间腔直径 15 nm, 长度

不定。由于组成微管的异源二聚体具有极性，所以微管也具有极性，b 微管蛋白指向正端， a

微管蛋白指向负端[3,4] （图 1（b ））。微管的负端指向细胞微管发生区微管组织中心（由中

心粒组成），而中心粒是由 9组3 联体微管组成的中空结构，发射出的微管辐射于整个细

“胞。特异化的微管细胞器纤毛主要也是由微管蛋白二聚体组成，分为 9+2” “型和 9+0”型的纤

毛，发生于由中心粒组成的基体（basal body ），是纤毛的微管组织中心[5~7].

生物学功能的有效发挥需要微管在体内进行动态的调节，目前发现多种微管相关蛋白可以协助

执行此功能[8]. 例如， tau 蛋白可以稳定微管[9], katanin 蛋白可以切割微管[10], EB 蛋白家族和

CLASP 蛋白家族结合在微管的末端发挥调节作用[11,12]. 而驱动蛋白家族（Kinesin）成员较为

特殊，包含与微管侧壁结合并沿微管运动的蛋白，以及作用于微管末端并调节微管动态学变

化的蛋白[13,14]. 本文将重点阐述 Kinesin 中对于微管具有解聚作用的 Kinesin-13 亚家族成员在

不同研究体系中的功能与作用机理的研究进展（表 1）。

1 Kinesin-13 家族概述

在人类基因组中目前已知存在 45 种驱动蛋白，其中 9种驱动蛋白参与了细胞微管的动态学变

化。遗传与生化实验证明 Kinesin 家族成员的共同点是拥有高度保守的马达结构域（motor

domain ），并且可以与微管结合[15,16]. 总体来讲，马达结构域位于氨基端（N-terminal）的

Kinesin 行使沿微管正向运输功能，位于羧基端（C-terminal）的 Kinesin 行使沿微管负向运输

功能，而位于中部的，则不会沿微管运输，但执行微管解聚功能， Kinesin-13 就属于此分类

[13,14]（图 1（a））。

但是目前的研究表明，一些特殊的 Kinesin 并不遵循此规律，例如， Kinesin-8 和Kinesin-14 可

以分别沿微管进行正向与负向运输，但是同时也可以解聚微管[17,18].那么微管是怎么被微管

解聚驱动蛋白 Kinesin-13 解聚的？Kinesin-13 一般形成二聚体结构执行相应微管解聚的功能

[13]. 总体来说，微管解聚驱动蛋白可以造成微管末端的微管原丝形成弯曲的构象，从而使微

管的末端逐个解离微管原丝的 ab 微管蛋白二聚体（图 1（b ））。其详细的作用机制为：

Kinesin-13 不会沿着微管进行直接运动，而是以展开的构象、相对微弱的结合力结合在微管的

侧面，然后向正负两端随机扩散[19~21]. 当Kinesin-13 扩散至微管的末端，空间结构发生变

化，紧密结合微管末端原丝，使相邻的双条微管原丝空间结构发生弯曲，ATP 水解产能，促

进微管末端二聚体的解离[21~27]. 在执行解聚微管过程中，依赖于 Kinesin-13 的ATP 结合形式

与ADP 结合形式的循环，来动态调节与微管结合的紧密程度，以较高的效率促进微管解聚作

用[26].

研究表明， Kinesin-13 的马达结构域对于微管的解聚是必需的，并且马达结构域的存在足以在

体外进行微管解聚作用[28]. 因此，马达结构域是 Kinesin-13 家族具备微管解聚能力的共性。

尽管具有马达结构域的 Kinesin-13 已经具备微管解聚能力，但是全长Kinesin-13 则是进行微管

解聚的更有效分子形式，说明其他的功能域也是必需的[19,29]. Kinesin-13 的N 端结构域对

于蛋白的亚细胞定位是必需的 , 而Kinesin-13 的C 端结构域对于二聚化是必需的（图

1（a ））。而富有正电荷氨基酸的颈部结构域（neckdomain）对于 Kinesin-13 微管解

聚活性的高效发挥是必需的[29,30]. 对Kinesin-13 解聚微管构型的研究发现，Kinesin-13 的凸面

结构与微管原丝弯曲的空间具备互补性，揭示 Kinesin-13 是如何高效解聚微管的[29,31].

如果将Kinesin-13 进一步进行系统分类，可以将其分为 2 个小家族：动物特有的亚类 Kif2 和

原始的亚类 Kif24[32]. 在Kinesin-13 家族成员中普遍存在的邻近中间马达结构域的 neck 结构域

[30]（图 1（a ）），并非存在于原始Kinesin-13 家族成员中，如 LmjKIN13-2（利士曼原

虫）， CrKin13 （衣藻）等，所以原生生物的 Kinesin-13 属于后者，并且不具备neck 结构域

这一特有的结构。

2 Kinesin-13 在细胞中执行的主要功能

Kinesin-13 在细胞中执行与微管结构动态学变化方面的相关功能，研究发现该蛋白主要参与细

胞分裂与纤毛的调控（图 2 ），下面作详细的阐述。

2.1 Kinsein-13 在细胞分裂中的功能

在细胞分裂时期，染色体需要正确进行中期排列与末期向纺锤体两极对称分离，从而完成精

准的细胞周期调控[33]. 研究发现， Kinesin-13 “ ”蛋白以微管侧面滑动，末端捕获解聚机制来进

行细胞分裂中纺锤体微管的动态学变化，控制分裂周期纺锤体中心粒微管与动粒微管的解聚，

从而促进染色体的正确排列与分离[32,34~36]. 因此， Kinesin-13 可以调节有丝分裂的顺利进

行。

免疫去除爪蟾卵细胞提取物中的 XKCM1/Kif2C, “ ”将导致微管灾变（catastrophe）频率的降低，

形成长的纺锤体微管，从而造成纺锤体微管的异常[37]. 而过多的 Kinesin-13 同样造成因微管过

短而未形成功能性的纺锤体[38]. 同样的研究结果也出现在哺乳动物细胞中，过表达 Kinesin-13

“ ” 蛋白造成微管灾变频率的增加，并导致微管数目的降低[39,40]. 在哺乳动物细胞中， Kinesin-

13 家族成员 Kif2B 促进动粒微管的正确装配[41], 而Kif2A 则促进纺锤体两极微管的正确装配

[42,43]. MCAK/Kif2C 则是定位于着丝粒区域微管，调节该区域微管的正确装配[44,45]. 因此，

实验数据说明，不同的 Kinesin-13 家族成员可能位于细胞内不同的亚区位来发挥其微管解聚活

性，从整体上确保纺锤体微管正确装配与染色体正确分离。

黑腹果蝇的Klp10A 在细胞分裂时期促进后期染色体的分离[46,47]. 进一步研究发现， Klp10A

作用于纺锤体两极微管，而 Klp59C 对于解聚染色体动粒微管是必需的，正负两端协同作用促

进染色体有效分离[46,48,49]. 另外 , 在果蝇中存在的另一个家族成员 Klp59D 也是解聚动粒微

管，并间接影响 Klp10A 定位于两极微管处，从而促进染色体分离[50].

在盘基网柄菌中， Kif6 对于该菌的存活至关重要，缺失 Kif6 导致该菌染色体分离滞后，纺锤

体形态异常等有丝分裂缺陷，这与哺乳动物和爪蟾中Kinesin-13 家族成员在有丝分裂过程中扮

演的角色是一致的。

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微管解聚驱动蛋白Kinesin-13的功能与作用机理来源：学术堂作者：周老师发布于：2015-08-06共8306字细胞的微管是细胞内骨架结构之一，对细胞生命活动起至关重要的作用，如细胞正常形态构建与维持、细胞内货物运输、细胞迁移、细胞分裂等[1,2].细胞功能的发挥依赖于细胞微管的动态不稳定性以及可调控性，尤其是细胞在时间与空间上对其进行精确的调控。细胞微管除了形成细胞内的骨架结构，还可以在细胞分裂时期形成有丝分裂的纺锤体以及在细胞间期形成“”突出于细胞表面的特异化细胞器，称之为纤毛（或鞭毛）。纤毛作为细胞表面突出的天线,“”既可以作为运动器官，也可以作为信号接收器,介导了细胞的运动与信号转...

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