第二节 微管及其功能
微管的电镜图像呈中空的管状结构，其外径为24nm，内径为15nm。微管存在于所有真核细胞中但大部分微管在细胞质内形成暂时性的结构，如间期细胞内的微管、分裂期细胞的纺锤体微管，这些微管对细胞内各种细胞器和生物大分子的非平衡态分布起重要的组织作用。另外一些微管形成相对稳定的“永久性”结构，如存在于纤毛或鞭毛内的轴丝微管、神经元突起内部的微管束结构等。
微管的结构组分与极性
对多种真核生物基因组进行分析的结果表明，微蛋白是多基因编码的。根据各微管蛋白在一级结构上的相似性，大致可以分为α、β、Y、8、8和6个不同的微管蛋白亚家族，它们在细胞内具有不同的定位和功能。在人体基因组中，有23个编码微管蛋白的基因和
至少48个假基因。此外，在细菌和古菌中也找到了在序列和功能上与微管蛋白相似的蛋白质种类，如FtsZ和TubZ等。通常情况下，微管由α-微管蛋白和β-微管蛋白亚基组装而成。不同基因编码的α-微管蛋白和β3-微管蛋白在序列和结构上都非常相似，并且在试管中能混合组装成微管，但在生物体内的表达却有一定的组织特异性，如在神经细胞内表达的β-微管蛋白是β3，而在一些人皮肤鳞癌细胞(如A431细胞)中表达的则是β2。
a-微管蛋白和β-微管蛋白翻译后即组装成B微管蛋白二聚体，这种二聚体是细胞质内游离态微管蛋白的主要存在形式，也是微管组装的基本结构单位(图8-18)。α-微管蛋白含450个氨基酸残基，β-微管蛋白含455个氨基酸残基。两者的C端均富含酸性氨基酸，并有多个翻译后修饰位点，使组装后的微管表面带有较强的负电荷。大多数微管结合蛋白的微管结合结构域都带正电荷，它们靠分子间正负电荷的相互作用而结合在微管表面。y-微管蛋白存在于中心体等具有微管组织功能的细胞结构上，在微管组装的成核过程中发挥主要作用。作为微管组装的起始位点，γ微管蛋白与微管蛋白二聚体中的∝-微管蛋白结合，从而确定了微管的极性6-和ε-微管蛋白主要定位于中心粒和纤毛的基体等部位，与三联体微管中B管和C管的组装相关。-微管蛋白目前仅在动质体目的原生动物中发现。FtsZ在
细菌细胞分裂时形成环状结构，类似于动物细胞分裂时由肌动蛋白/肌球蛋白形成的收缩环，促进细菌细胞的分裂。
从低等的单细胞真核生物到高等哺乳动物，微管蛋白可能是最保守的蛋白质分子之一。在α-微管蛋白和β-微管蛋白上都有一个GTP结合位点。可能是由于构象上的原因，结合在α-微管蛋白上的GTP通常不会被水解，因而该结合位点被称为不可交换位点( nonexchangeable site，N位点)。结合在β-微管蛋白上的GTP在微管蛋白二聚体组装到微管的未端后即被水解成GDP。当微管解聚后，β-微管蛋白上的GDP可以被GTP所替换，然后再参与微管的组装。所以β-微管蛋白上的GTP结合位点是可交换位点( exchangeable site，位点)。此外，每个微管蛋白上还有二价阳离子(Mg2)结合位点，以及一些小分子化合物如秋水仙素和长春花碱的结合位点。
电镜图像显示微管横截面上有13个球形蛋白亚基，应用负染或原子力显微镜等方法观察到的图像也显示微管管壁是由β-微管蛋白纵向排列而成的原纤丝( protofilament)构成，13根原纤丝合拢后构成微管的管壁。由于相邻的原纤丝之间在排列上存在1nm左右的交错，以致微管蛋白沿微管的圆周呈螺旋状排列，在微管合拢的位置微管蛋白构成的螺旋被终止，出现α-微管蛋白和β-微管蛋白之间的横向结合，并产生纵贯微管长轴的“接缝”。微管组装的基本结构单位是由∝β微管蛋白组成的二聚体，每一根原纤丝都是由这些二聚体有规律地排列而成，所以每一根原纤丝的两端都是不对称的，它们的一端都是α-微管蛋白，而在另一端都是β-微管蛋白，从而使整根微管在结构上呈极性状态(图8-18，图8-19)。
从结构上看，细胞内的微管有三种类型，它们分别是单管(如细胞质微管或纺锤体微管)、二联管(纤毛或鞭毛中的轴丝微管)和三联管(中心体或基体的微管)。微管结合蛋白的微管结合结构域与微管表面结合，而其他的结构域突出于微管表面，与相邻的微管或其他细胞结构相连。马达蛋白利用水解ATP产生的能量携带所运输的“货物”沿微管运动。这些蛋白质与微管网络的空间分布及功能密切相关。
二、微管的组装与解聚
（一）微管的体外组装与踏车行为
由于细胞内部结构及蛋白组分相当复杂，因此有关微管组装方面的资料主要来源于体外试验的结果。首次在试管内成功进行微管组装试验的是 Temple大学R. Weisenberg的研究室。他们以动物脑组织的匀浆物为材料，并加入适当浓度的Mg2、GTP和EDTA，利用大部分微管具有在低温下解聚而在37C时可以重新组装的特点，成功地实现了微管的体外组装。通过调节实验系统的温度和缓冲液的组分，经过组装/解聚和差速离心等多轮循环，再结合层析技术可以得到较纯的微管蛋白或组装好的微管。然而，在用电子显微镜观察体外组装的微管时，发现它们的粗细并不均些微管的横断面上并不是人们在细胞内所见到的有13个微管蛋白亚基，有的才11个或更少，也有些具有15个亚基。这些结果提示，微管在体外组装时，似乎缺乏某种机制来控制微管横断面上微管蛋白亚基的数目微管在体外的组装过程可以分为成核( nucleation)和延伸( elongation)两个阶段。在体外条件下由于缺乏γ-微管蛋白环状复合物，微管的成核过程有别于体内。首先是微管蛋白纵向聚合形成一段短的原纤丝，即所谓的成核反应，然后是a-微管蛋白在两端及侧面聚合而扩展成片状，当片状聚合物加宽到大致13根原纤丝时，即合拢成为一段微管。新的微管蛋白不断地组装到这段微管的两端，使之延长(图8-19)。由于微管的一端是∝-微管蛋白，而另一端是β-微管蛋白，这种结构上的差异导致o-微管蛋白在两端进行装配时的平衡常数和组装速度都不相同。通常持有α-微管蛋白的一端(负极)组装较慢，而持有β-微管蛋白的端(正极)组装较快。
与其他所有的生化反应过程一样，微管的组装速度同样与其底物(携带GTP的αβ-微管蛋白)的浓度呈正相关。微管蛋白组装到微管的末端后，β-微管蛋白发挥GTP酶活性，将所结合的GTP水解为GDP，由于高能磷酸键断裂所释放的能量储存于微管结构中，这使得末端带有GDP帽(GDP-cap，D型)的微管解聚所产生的自由能的变化(△G)高于末端带有GTP帽( GTP-cap，T型)的微管。同样，前者解聚的平衡常数KD(KD=KnKωn)大于后者，即微管末端带GDP帽的组装所需的临界浓度[C(D)]要大于带GTP帽的临界浓度[C(T)]。当体系中微管蛋白的浓度介于这两个临界浓度之间时，末端为GDP帽的微管解聚，而带GTP帽的微管因组装而延长。末端β-微管蛋白上GTP的水解导致自由能和微管蛋白构象发生变化，使微管原纤丝的末端发生弯曲，这种状态使微管蛋白二聚体之间的结合力下降，更容易发生解聚(图8-20)。用电镜观察正在解聚的微管，可以在末端观察到这种弯曲的原纤丝，而正在组装过程中的微管末端亚基带的核苷酸是GTP，
其原纤丝是伸直的。当组装体系中结合GTP的微管蛋白的浓度较高，微管末端的组装速度大于GTP的水解速度时，可以在微管的末端形成一个结合GTP的帽子，从而使微管稳定地延伸。反之，底物的浓度随着微管的组装而下降时，微管的组装速度下降。当微管组装的速度小于β-微管蛋白上GTP水解的速度时，末端暴露出结合GDP的微管蛋白，导致微管结构上的不稳定，从而表现出动力学不稳定性。由于微管两端存在结构上的差异，微管组装时两端所需的临界浓度也不一样，当组装体系中底物的浓度接近微管正极组装所需的临界浓度时，负极端已在临界浓度之下。此时，可以检测到在同根微管上其正极端因组装而延长，而负极端则因解聚而缩短。当一端组装的速度和另一端解聚的速度相同时，微管的长度保持稳定，即所谓的“踏车行为”。
细胞内游离态的微管蛋白的浓度远高于微管组装所需的临界浓度。而这些微管蛋白中的大部分都与存在于细胞内的一种分子质量为19kDa的磷蛋白——抑微管装配蛋白( stathmin)相结合(一个抑微管装配蛋白结合两个αβ-微管蛋白)，从而阻碍了它们参与微
管的组装。抑微管装配蛋白与微管蛋白的结合受其本身磷酸化状态的调控。磷酸化的抑微管装配蛋白释放出微管蛋白，使细胞内能用于组装的微管蛋白的有效浓度提高，从而加快了微管的组装速度，降低了微管的动态不稳定性；相反，抑微管装配蛋白的去磷酸化将降低微管蛋白的有效浓度，使微管组装速度降低。细胞可以通过调节局部抑微管装配蛋白的磷酸化状态来调控微管的组装及其分布。
在有丝分裂期，微管的组装受到一些因子的调控，使微管网络的组织结构发生显著变化。在有丝分裂前期，细胞质微管解聚，游离的微管蛋白被用于组装纺锤体微管；在末期，这一过程发生逆转。正如荧光显微镜观察体外培养的细胞时所见到的那样，细胞内的微管组装通常都起源于某些特殊位点，如细胞质微管(图8-18D)和纺锤体微管大多起源于中心体( centrosome)，纤毛内部的微管起源于基体( basal body)。在间期细胞或终末分化细胞内，微管的组装通常从中心体部位开始，并随着微管蛋白的不断加入而得以延伸，但并非所有的微管都能持续不断地进行组装在同一细胞内总能见到一些微管在延伸，而另一些微管在缩短甚至全部解聚。刚刚从一根微管解聚下来的微管蛋白将(β-微管蛋白上的)GDP换成GTP后又被组装到另一根微管的游离端。这种快速组装和解聚的行为对于微管的功能极为重要。有时微管的游离端会与某些蛋白或细胞结构结合而不再进行组装或解聚，使该微管处于相对稳定状态。
(二)作用于微管的特异性药物
些药物如秋水仙碱( colchicine)、诺考达唑( nocodazole)和紫杉醇( taxol)等可与游离的微管蛋白或组装好的微管结合，从而影响微管的组装或解聚。秋水仙素可以与游离的微管蛋白结合，当这种带有秋水仙素的微管蛋白组装到微管末端后，其他的微管蛋白就很难再装配上去，但这并不影响该微管的解聚，因此，用秋水仙素处理细胞可使微管网络解体。紫杉醇的作用与秋水仙素相反，当紫杉醇与微管结合后可以阻止微管的解聚，但不影响微管蛋白在微管的末端继续组装。结果是微管不停地组装，而不会解聚，这同样影响细胞周期的运行。临床上将一些影响微管组装/解聚的药物用于肿瘤的治疗就是基于这种机制。
微管组装和解聚还与温度有关。在其他条件合适情况下，当环境温度高于20℃时游离的微管蛋白可组装成微管，而当温度较低时微管会解聚。但也有一些微管在低温状态下仍然保持稳定，这些微管被称为冷稳定性微管。
三、微管组织中心
在动物细胞的细胞核附近都有一个中心体，大部分微管也都在中心体处成核并锚定于此，呈发散状向细胞的边缘延伸，因此，中心体通常被称作微管组织中心( microtubule organizing center，MTOC。微管与中心体相连的一端为负极，另一端为正极。除中心体以外，细胞内起微管组织中心作用的类似结构还有位于纤毛和鞭毛基部的基体等细胞器，以及上皮细胞顶端面和高尔基体的反面网状结构等。
(-)中心体
当用低温或秋水仙素、诺考达唑等药物处理体培养的动物细胞时，可导致微管结构的解体，但当更换了不含药物的培养液，或将温度恢复到正常以后，微管就能从中心体上重新组装，并渐渐向细胞的边缘延伸(图8-21)。
中心体是由蛋白质组装而成的细胞器，包含一对中心粒，它们彼此呈近乎垂直状态分布，围绕在中心粒周围的蛋白质被称为中心粒外周物质。中心粒是一个直径大约0.25nm、长度为150~500mm的桶状结构。每个中心粒含有9组等间距的三联体微管。在每组三联体微管中，只有一根微管在结构上是完整的，管壁由13根原纤丝组装而成，称为A管，另外的两根微管为不完整微管，依次称为B管和C管。用电子显微镜观察中心粒外围的致密物质，发现微管并不是直接起源于中心粒，而是在中心粒的亚远端附属结构和外周物质区域(图8-22)。参与中心粒组装的微管蛋白除了αB-微管蛋白以外，还有8e-微管蛋白。目前还不知道8-微管蛋白是如何组装到中心粒结构上，也不知道这两种微管蛋白发挥何种功能，但是δ-微管蛋白的缺失将导致中心体结构的变化。
细胞内的微管并不都与中心体相连，如在神经细胞轴突内，尽管微管的正极都指向轴突的顶端，但大部分微管的另一端也在轴突内部。在树突内约有50%的微管的正极指向胞体，它们显然也不可能与中心体相连。另外一个特殊的例子是小鼠的卵母细胞，该细胞内似乎并没有中心体，但仍然能组织像减数分裂纺锤体那样复杂的微管结构。高等植物细胞内没有中心粒。在某些植物的间期细胞内，与微管组织中心相关的物质似乎存在于细胞核的周围，如在植物的胚乳细胞中，微管好像是起源于核膜的外表面。植物细胞有丝分裂纺锤体的微管从细胞的两极开始组装，然而，那里也没有中心体存在。
y微管蛋白是在酵母的温度敏感突变体内发现的。
该蛋白在细胞内的含量极微，定位于细胞中心体的致密外周物质中。免疫电镜观察结果显示，γ-微管蛋白在中心体上形成直径为24mm的环状结构。该环状结构在体外可以作为微管组装的起始点。据此，人们提出了微管在中心体部位的成核模型(图8-2D)。该模型认为13个y-微管蛋白在中心体的周物质中呈螺旋状排列形成一个开放的环状复合物。微管组装时，游离的a(-微管蛋白有序地加到y-微管蛋白构成的环上，而且y微管蛋白只与二聚体中的a-微管蛋白结合。这样组装起来的微管在靠近中心体的一端为负极端，而位于正极端的一定是β-微管蛋白。
(二)基体和其他微管组织中心
鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基部称为基体的结构。基体(参见图8-32)在结构上与中心粒(图8-22)基本一致，其外围由9组三联体微管构成，A管为完全微管，B管和C管为不完全微管。A管和B管跨过纤毛板与纤毛轴丝中相应的亚纤维相连，C管终止于纤毛板或基板附近。中心粒和基体是同源的，在某些时候可以相互转变。例如，当细胞进入Go期时，中心粒转变成纤毛的基体，当细胞重新进入有丝分裂周期时，纤毛解体，基体转变成中心粒。中心粒和基体都具有自我复制的性质，一般情况下，新的中心粒是在细胞周期的S期、在原来已经存在的中心粒的近端复制而来。在某些细胞中，中心粒能从无到有( de nove)进行组装。
最近的一些文献显示，高尔基体的反面膜囊区域和上皮细胞的顶端面也有组织微管组装的能力。在一些细胞中似乎存在一种机制，可以从微管的末端切下一小段，这种被切下来的小段微管的命运并不清楚，有可能作为新的微管的生长点。
四、微管的动力学性质
微管的稳定性与其所结合的细胞结构组分以及细胞的生理状态相关。对微管动力学特征的研究通常在体外培养细胞上进行。当细胞处于正常的生长状态时，微管的组装和解聚并不是同步进行的。在同一时刻，往往可以观察到一部分微管正在组装延伸，而另一部分正在解聚。有时整根微管解聚后又重新组装，甚至在同一根微管的末端，其组装和解聚也可以反复进行。微管所表现的这种动力学不稳定性通常都发生在正极端(图8-23)。当微管的末端与某些细胞结构结合后整根微管就会变得相对稳定不同状态的微管其稳定性差异很大。间期细胞中源于中心体的微管和有丝分裂期的纺锤体微管大多处于组装和解聚的动态平衡中，对各种理化因素如温度、流体压力、Ca2浓度等的变化，以及一些化学药物如秋水仙素、长春花碱等都相当敏感。中心粒微管、轴突微管以及纤毛或鞭毛内部的轴丝微管则相当稳定，推测可能与其α-微管蛋白的第40位赖氨酸残基往往发生了乙酰化有关。由于这种乙酰化修饰仅仅发生在已经组装好的微管上，而且α-微管蛋白的第40位氨基酸残基位于微管的管腔内，所以，微管乙酰化修饰的速度相对较慢，只有存在时间较长，或者说较稳定的微管才能被乙酰化，但乙酰化是否使微管更加稳定还不得而知。
五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节
如前所述，利用微管结构对温度的敏感性，再结合差速离心技术可以将微管蛋白纯化。但即使是进行多次组装/解聚的循环，仍然有一些蛋白质始终伴随着微管的组装而存在于体系中，这类蛋白质被称为微管结合蛋白( microtubule-associated protein，MAP)。根据MAP在电泳时所显示分子量的不同，依次命名为MAP1、MAP2、MAP3、MAP4、tau蛋白等。由于类似的研究大多以神经组织为对象，因此在已经鉴定的MAP中，有相当部分仅在神经系统中表达。微管结合蛋白分子通常都具有数个带正电荷的微管结合结构域( microtubule binding domain)，该结构域与带负电荷的微管表面相互作用。一个MAP分子上成线性排列的微管结合结构域可以将微管表面原纤丝上相邻的微管蛋白亚基交联起来，以增加微管的稳定性。微管结合蛋白其余的结构域突出于微管表面与相邻的微管或细胞结构相作用，调节微管网络的结构和功能。
在神经细胞中，MAP2、tau和MAPB是研究得较为清楚的组分。MAP2存在于神经元的胞体和树突，而tau则存在于轴突。在MAP2和tau的C端均有3-4个由18个氨基酸残基构成的微管结合结构域。与微管结合后，其N端突出于微管表面，并在相邻的微管之间形成横桥(图8-24)。
为了探讨微管结合蛋白与微管网络结构的关系，J.Chen等(1992)用编码MAP2和tau的cDNA转染体外培养的S细胞，这些基因在S9细胞内表达后，原本呈圆形的细胞长出了与神经元的树突(MAP2)和轴突(tau)类似的细胞突起。电镜图像显示，在MAP诱导产生的突起内部具有规则排列的微管束。由MAP2诱导产生的微管束内相邻微管间的距离与树突内部微管束的结构相似，而由tau诱导产生的微管束内相邻微管间的距离与轴突内部微管束的结构相似。MAP2和tau的分子结构基本相似，其C端都有3-4个微管结合结构域，所不同的是N端突出区域，MAP2有1820个氨基酸残基，而tau只含有380个氨基酸残基。正是由于MAP2和tau蛋白的N端的差异分别决定了树突和轴突内微管束内相邻微管间的距离的不同(图8-24)。
MAP2或tau基因剔除小鼠的树突或轴突内部相邻微管间的横桥明显减少，虽然对神经元突起生长的影响并不是很大，但 MAPIB/MAP2或 MAPIB/tau的双基因剔除小鼠的神经突起的生长明显受阻，表明在轴突和树突中都有定位的MAP1B与MAP2/tau蛋白之间在功能上存在互补作用。
六、微管对细胞结构的组织作用
真核细胞内部是高度区室化的结构，各种生物大分子和细胞器等都分布在特定的空间。用秋水仙素等药物处理体外培养细胞，导致微管解聚，细胞变圆。与此相应的变化是内质网缩回到细胞核周围，高尔基体分散成小泡，细胞内依赖于微管的物质运输系统全面瘫痪，那些处于分裂期的细胞停止分裂。一旦阻止微管组装的药物被除去，微管又从中心体等部位重新组装，并向细胞周缘的伸展，内质网也随之向外侧铺展，高尔基体重新组装。对于体外培养的神经元，微管的解体将导致正在延伸中的神经突起停止生长，甚至缩回胞体。显然微管与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持等有很大的关系。
在神经元这样的终末分化细胞中，有大量的MAP与微管表面结合，将相邻的微管交联在一起成束状排列。相对于处于分裂周期中的细胞来说，神经突起内的微管要稳定得多。在阿尔茨海默病患者的脑神经元内，tau蛋白的过度磷酸化使其很容易从微管上解离下来形成神经原纤维缠结，并导致微管的稳定性降低，结构紊乱，依赖于微管的物质运输系统受损，最终导致神经元的死亡。
神经元是一个高度极性化的细胞，一些蛋白质在轴突和树突部位的不对称分布导致这些神经突起在功能上的特化，从而保证了信号传递过程的正常进行。
像这种极性化细胞结构的形成有赖于基于微管的物质运输，分子马达将胞体中合成的蛋白质定向转运到树突或者是轴突发挥功能。一些细胞器，如线粒体等也是沿着微管转运到轴突内。上皮细胞也是典型的极性化细胞的代表，在细胞的基底部和顶端，细胞器和蛋白质组分有着完全不同的分布方式。依赖微管的物质定向转运为细胞内各种细胞器和生物大分子的不对称分布提供了可能。
七、细胞内依赖于微管的物质运输
真核细胞内一些生物大分子的合成部位与行使功能部位往往是不同的，因此必然存在精细的物质转运和分选系统。应用快速冷冻一深度蚀刻技术观察轴突内部的结构时，在微管和一些膜性细胞器之间常常会看到一些横桥样结构(图8-25)。在光学显微镜下观察活细胞，可以看到许多细胞器或膜泡在细胞质(图8-26)或轴突内部沿微管作定向运动。甚至在同一根微管上可以观察到一些膜性细胞器向微管的一端运动，而另一些则向相反的方向移动。如果用破坏微管或抑制ATP酶活性的药物处理细胞，可以使这些膜泡停止转运。依赖微管的马达蛋白主要有驱动蛋白( kinesin)和细胞质动力蛋白( cytoplasmic dynein)，它们能将储存于ATP中的化学能转化成机械能，沿微管运输货物。
(一)驱动蛋白
1.驱动蛋白的分子结构及其功能驱动蛋白是R.D.Vale等从鱿鱼巨大的轴突内分离到的、能沿微管移动，但不同于肌球蛋白和动力蛋白的马达分子(即 kinesin-1)。该蛋白能运载膜性细胞器沿着微管向轴突的末梢移动。驱动蛋白在结构上与Ⅱ型肌球蛋白相似，由两条具有马达结构域的重链( kinesin heavy chain，KHC)和两条与重链的尾部结合、具有货物结合功能的轻链( kinesin light chain，KLC)组成。用低角度旋转投影( low angle rotary shadowing)电子显微镜观察的结果显示，驱动蛋白分子是一条长80nm的杆状结构，头部一端有两个呈球状的马达结构域，直径约10nm，另一端是重链和轻链组成的扇形尾部，中间是重链杆状区(图8-27)。球状的头部具有ATP结合位点和微管结合位点。随后，在其他多种生物如酵母、曲霉、昆虫以及小鼠和人的细胞中也陆续发现了编码类似驱动蛋白的基因及其表达产物。人类基因组中共有45个不同的驱动蛋白基因，马达结构域是该家族成员中非常保守的一个共有元件。
根据驱动蛋白马达结构域系统演化方面的信息和功能特征，驱动蛋白超家族( kinesin superfamily protein，KIF)的成员被分成14个蛋白家族和一个暂时未分组的
“ orphan kinesin”，用阿拉伯数字1-14标记各个蛋白家族，各个蛋白家族中的亚族则用附加的大写英文字母表示，如 kinesin-14A(表8-1)。
驱动蛋白的行为与其马达结构域在多肽链中的位置有关，大部分驱动蛋白家族成员的马达结构域在肽链的N端(N-驱动蛋白)，如 kinesin-1至 kinesin-12，它们能从微管的负极向正极移动。另外一些的马达结构域位于多肽链的中部(M-驱动蛋白)，如 kinesin-13的3个成员，他们结合在微管的正极端或负极端，使微管处于不稳定状态，如有丝分裂时动粒微管两端的解聚就与该蛋白相关。还有一些的马达结构域位于肽链的C端(C-驱动蛋白)，如 kinesin-14的3个成员，这类驱动蛋白的运动方向与N-驱动蛋白相反，它们从微管的正极向负极移动(图8-28)。 kinesin8和 kinesin-14家族的成员既能向微管的正极端移动，还具有调节微管解聚的能力。大部分驱动蛋白可通过多肽链中部的一段卷曲螺旋相互作用而形成同源二聚体(如 kinesin-4、6、7、8、10、12、13和14家族)。 kinesin-1除了有两条重链(KHC)以外，在C端还有两条轻链(KLC)共同构成货物结合结构域。 kinesin-2家族的Ki3的两个成员可与一个结合蛋白一起构成异三聚体(Ki3A-Ki3B
Kap3)。 kinesin-3家族的成员以单体或同源二聚体的形成存在。 kinesin-5家族的成员可以通过其杆状区形成反向四聚体，在极性相反的两根相邻的微管(如纺锤体极微管)之间滑动介导中心体向两极移动。 kinesin-1至kinesin-3家族的成员主要与膜性细胞器和大分子复合物的运输相关，而其它家族的成员主要作用在于调节微管的动态不稳定性以及微管网络的结构。
2.驱动蛋白沿微管运动的分子机制
在驱动蛋白的马达结构域上有两个重要的功能位点：ATP结合位点和微管结合位点。与肌球蛋白的马达结构域(850个氨基酸残基)相比，驱动蛋白的马达结构域(350个氨基酸残基)显得很小巧。虽然两者在氨基酸序列上没有同源性，但它们的ATP结合位点的结构非常相似，两种马达结构域在大小和功能上的差异主要表现在细胞骨架结合部位和动力转换装置上。
驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种：一种是“步行”( hand over hand)模型，另一种是“尺蠖”( inchworm)爬行模型。步行模型认为：驱动蛋白的两个球状头部交替向前，每水解一个ATP分子，落在后面的那个将移动两倍的步距，即16m。而原来领先的那个头部则在下一个循环时再向前移动。尺蠖爬行模型认为：驱动蛋白两个头部中的一个始终在前，另一个永远在后，每步移动8mm。在这个领域，尽管已经积累了大量的实验证据，特别是近年来发展起来的单分子行为分析，为研究驱动蛋白两个马达结构域是怎样协调向前运动的问题提供了有效的方法，但实验结果很不致，有些结果支持步行模型，但也不乏与尺蠖爬行模型相吻合的结果。这里以传统的驱动蛋白为例，着重介绍被大多数学者承认的步行模型
驱动蛋白的运动主要涉及发生在两个马达结构域上的ATP的结合、水解和ADP的释放，以及与自身构象变化相偶联等机械化学循环过程。在这一过程中，驱动蛋白的两个头部交替与微管相结合，以确保在移动过程中不会从微管上掉下来。每水解一个ATP分子，整个分子就向前移动一步(两个微管蛋白亚基的长度，约8mm)。当驱动蛋白沿微管行走时，两个马达结构域中位于前面的那个(L)与ATP结合时导致驱动蛋白发生构象变化，该结构域与微管紧密结合，并使后面的马达结构域(T)向前移动，越过原来位于前面的那个马达结构域(L)至微管正极一侧的另一个新的结合位点(共移动了16m)。此时，处于前面的马达结构域(T)释放ADP，处于后面的那个(L)水解ATP，使得驱动蛋白处于开始时的状态，但两个头部互换了位置，整个分子则向微管的正极端移动了一步。在这一循环的运行过程中，驱动蛋白的两个马达结构域与微管之间交替结合，每个都有一半以上的时间与微管处于结合状态(图8-29)。相比之下，Ⅱ型肌球蛋白沿微丝移动时，同样是ATP的水解与马达结构域的构象变化相偶联，但在每个循环开始时，不带ATP的肌球蛋白的头部以僵直的构象与微丝紧密结合，当ATP与肌球蛋白头部结合时，马上引起肌球蛋白构象的变化，使头部与微丝的亲和力降低。但头部脱离微丝时，ATP水解，引发较大的构象变化，使肌球蛋白头部的构象几乎处于竖直状态。肌球蛋白头部和微丝上新的肌动蛋白亚基的微弱结合导致无机磷酸的释放，这一过程使头部恢复原来的构象，ADP被释放，头部与肌动蛋白紧密结合，从而回到初始状态。新的一轮ATP与肌球蛋白头部的结合导致下一个循环的开始。在这个循环中，肌球蛋白的头部与微丝结合的时间仅占循环所需总时间的5%。
引发驱动蛋白沿微管持续移动的原因有两个：第
在每个驱动蛋白分子中，两个马达结构域的化学机械循环是互相协调的，在一个马达结构域还没有与微管结合之前，另一个马达结构域不会从微管上掉下来，从而保证了步行的连续性，即马达分子和所运送的“货物”或细胞器不会脱离微管。第二，驱动蛋白的
马达结构域在ATP循环的大部分时间里都与微管紧密结合。
肌球蛋白不具备沿微丝持续向前运动的能力，但多个肌球蛋白组装而成的巨大复合物(如粗肌丝)的协同作用却能提高其整体移动的速度。如在骨骼肌细胞中，大量规则排列的肌球蛋白头部与同一根微丝相互作用，复合物中肌球蛋白头部的协同作用使得在单一循环时间内，它们能将微丝移动相当20步的总距离，而驱动蛋白只能沿微管移动2步。这样，即便是两者在水解ATP的速度和分子步距上相当，肌球蛋白却能以比驱动蛋白更快的速度沿细胞骨架移动。
二)胞质动力蛋白及其功能
动力蛋白超家族由两组蛋白质组成：细胞质动力蛋白和轴丝动力蛋白( axonemal dynein)。后者也称为纤毛或鞭毛动力蛋白。动力蛋白的重链同样含有ATP结合部位和微管结合部位，利用水解ATP产生的能量沿微管运动。动力蛋白是已知马达蛋白中最大、移动速度最快的成员。细胞质动力蛋白是一个分子质量接近1500kDa的蛋白复合体，含多个亚基：2条具有ATP酶活性的、使其沿微管移动的重链，2条中间链，4条中间轻链和一些轻链(图8-30，图8-31)。细胞质动力蛋白与被称为动力蛋白激活蛋白( dynactin)的蛋白复合体(含p150p62、 dynamitin、.arpl、 CapA、 CapZb、p27和p24)密切相关。动力蛋白激活蛋白调节动力蛋白的活性和动力蛋白与其货物的结合能力。与驱动蛋白和肌球蛋白超家族的多样性相比，细胞质动力蛋白的重链家族只有两个成员— DyncIh和 DyncIh2 Lynch1主要担负向微管的负极端转运货物的功能， Dynclh2主要在鞭毛内的反向转运中起作用。 DyncIhI可直接结合货物，或通过选择性组装的动力蛋白亚基(包括多条中间轻链、中间链和轻链)来与多种货物相连，而驱动蛋白和肌球蛋白则演化出大量的家族成员，并利用他们自身的尾部结构域(或少数轻链)识别并结合货物。
轴丝动力蛋白的种类远多于细胞质动力蛋白，结构和组成成分也相当复杂。根据动力蛋白在轴丝上的位置，可以将其分为内侧动力蛋白臂( inner dynein arm)和外侧动力蛋白臂( (outer dynein arm)。不同类型的轴丝动力蛋白所含的重链(马达结构域)数量也不同构成外侧臂的动力蛋白具有2个或3个马达结构域(图8-31)，而在7个已知的内侧臂动力蛋白成员中，有1个含有2个马达结构域，其他6个只有1个马达结构域。
细胞质动力蛋白被认为与内体/溶酶体、高尔基体及其他一些膜泡的运输，动粒和有丝分裂纺锤体的定位，以及细胞分裂后期染色体的分离等事件密切相关。将抗动力蛋白的抗体注入有丝分裂期的细胞，可诱导纺锤体结构的解体。敲除细胞质动力蛋白重链基因的小鼠(cDHC-)在胚胎早期便死亡。因此，可以认为cDHC是高等真核生物生长和发育所必需的。DHC胚泡细胞内高尔基体膜囊片段化，并均匀分散在整个细胞质中，而不像正常细胞内那样聚集在细胞核周围。在cDHC细胞中， dynactin复合体中的Arp1和p150
以及内体/溶酶体等细胞器都分散在整个细胞质中，表明cDHC是高尔基复合体的形成和正常定位所必需的。有趣的是在cDHC细胞中“片段化”的高尔基体膜囊以及溶酶体仍附着在微管上。显然除cDHC外，还存在其他的蛋白质分子参与高尔基体、溶酶体等细胞器与微管的相互作用。
八、纤毛和鞭毛的结构与功能
纤毛( (cilia)和鞭毛( (flagella))是突出于细胞表面的、高度特化的细胞结构。精子和原生动物通过鞭毛的波状摆动使细胞在液体介质中游动。纤毛与鞭毛的结构相似，但较鞭毛短。纤毛是一些原生动物(如草履虫)的运动装置。在一些高等动物体内，纤毛存在于多种组织(如输卵管、呼吸道上皮组织)的细胞表面。相邻的纤毛可以几乎同步运动，使组织表面的液体定向流动。在人体呼吸道，数目众多的纤毛可以清除进入气管的异物，输卵管中的纤毛可以使卵细胞向子宫方向移动。近年来，随着鞭毛内转运机制的发现以及一些纤毛相关蛋白缺失后引起的一系列在细胞水平、组织水平乃至个体水平上的表型变化，使人们认识到这种细胞结构还与细胞信号转导、细胞增殖与分化、组织与个体的发育等过程密切相关。
(一)纤毛的结构及组装
1.纤毛的结构
纤毛的外部是由细胞质膜特化而成的纤毛膜，内部是由微管及其附属蛋白组装而成的轴丝。轴丝是由250多种不同的蛋白质组装而成的高度有序的结构，这结构从位于细胞皮层的基体发出，直达纤毛顶端。轴丝微管排列方式主要有3种模式：(1)“9+2”型：轴丝的外围是9组二联体微管，中间是2根由中央鞘所包围的中央微管。(2)“9+0”型：外周与“9+2”型相同，但缺乏中央微管。(3)“9+4”型：极少数的纤毛属于这一类型，轴丝中央含有4根单体微管。“9+0”型纤毛一般是不动纤毛，而“9+2”型纤毛则大多为动纤毛( kinocilium)。但这种分类不是绝对的，如斑马鱼的脊髓中央管中就存在“9+0”型的运动性室管膜纤毛而蛙嗅觉上皮细胞上“9+2”型纤毛却是不动纤毛。缺乏运动能力的“9+0”型纤毛是构成各种感受器的基础(如化学感受器和本体感受器)。这些存在于感受器细胞上的不动纤毛通常被称为原生纤毛( primary cilium)。
轴丝微管的正极端都指向纤毛或鞭毛的顶端。外围的二联体微管由A管和B管组成，其中A管为完全微管，由13个亚基环绕而成，B管为不完全微管，仅由10个亚基构成，另3个亚基与A管共用。中央微管均为完全微管(图8-32)。中央鞘和外周9组二联体微管的A管之间由放射辐( radial spoke)相连。相邻的二联体之间通过连接蛋白( nexin)相连，还有2个动力蛋白臂从A管伸出，它们分别位于轴丝的内侧和外侧，其马达结构域沿相邻二联体微管的B管滑动使纤毛产生局部弯曲(图8-32)。
位于纤毛基部的基体在结构上与中心粒类似。基体外围含有9组三联体微管，没有中央微管，呈“9+0排列。其中A管为完全微管，而B管和C管则是不完全微管。基体中的A管和B管向外延伸而成为纤毛或鞭毛中的二联体微管(图8-32)。
2.纤毛的组装(发生)
纤毛起始于位于细胞膜内侧的基体。在细胞周期运行过程中，基体和中心粒的主体结构是可以通用的，变换过程中仅需要更换一些蛋白质组分。纤毛在细胞进入G1期或G期时开始形成，进入S期前解体。利用电子显微镜观察培养的成纤维细胞，可见原生纤毛的形成分为4个阶段(图8-33)。①来自高尔基体的膜泡被母中心粒远端附属结构招募，包裹在母中心粒的顶端，形成中心粒膜泡(centriolar vesicle，CV)，一些中心体蛋白如Cep97和CP110等从母中心粒的顶端移除。
②母中心粒微管开始延伸并获取成为基体所需的附属结构，初生轴丝开始显现。随着新的膜泡的加入，CV慢慢变大，最终成为次级中心粒膜泡( secondary centriolar
vesicle，SCV)。③母中心粒随同SCV向质膜迁移，当其锚定在质膜内侧的纤毛组装位点时，SCV与质膜融合形成一个杯状结构，称为纤毛项链。④在鞭毛内运输( intraflagellar transport，IFT)复合体的介导下，原生鞭毛进一步装配并延长。
纤毛的延伸和维持依赖于鞭毛内运输。IT是位于二联体微管和纤毛膜之间的双向运输系统。 kinesin-2将IFT复合体B(含纤毛组装所需的轴丝前体组分)从纤毛基部运送到顶部，IFT复合体A(需要回收的物质)由 dynein-2运回胞体。T复合体A包含6种纤毛组分，而复合体B包含10种纤毛组分(图8-34)。这些编码IFT组分的基因在真核生物中高度保守，几乎对于所有真核细胞的纤毛或鞭毛的组装都是必需的。
(二)纤毛或鞭毛的运动机制
纤毛运动的本质是由轴丝动力蛋白所介导的相邻二联体微管之间的滑动。在实验过程中改变环境的pH可使细胞表面的鞭毛脱落。收集鞭毛，再用去垢剂除去其表面的膜结构，并用蛋白酶作轻微的处理以打断在微管二联体之间起连接作用的连接蛋白，使相邻的二联体微管仅靠动力蛋白彼此联系，而失去其他蛋白质的束缚。
如果此时加入ATP，从一个外周二联体微管的A管伸出的动力蛋白的马达结构域会利用水解ATP产生的能量在相邻的二联体的B管上“行走”，从而导致二联体之间产生滑动(图8-35A)。然而，在完整的纤毛或鞭毛内部，组成轴丝的9组二联体微管之间，外周微管与中央鞘之间都有许多辅助蛋白将微管横向连成一个整体，相邻二联体微管之间的滑动受到“整体性”的阻碍，于是纤毛动力蛋白“行走”时所产生的力便会使纤毛的局部弯曲(图8-35B)。
纤毛或鞭毛的弯曲首先发生在其基部，因为这里的动力蛋白首先被活化。随着轴丝上的动力蛋白依次被特异地活化或者失活，这种弯曲有规律地沿着轴丝向顶端传播。动力蛋白的活化受中央微管和放射辐的调控，缺少这些结构的突变体纤毛没有运动能力。在纤毛或鞭毛的运动过程中，内侧的动力蛋白臂主要与纤毛弯曲有关，决定纤毛弯曲波形的大小和形态，外侧的动力蛋白臂则与拍打的力量和频率有关。
(三)纤毛的功能对于单细胞原生生物而言，纤毛或鞭毛是其主要的运动装置，可以推动细胞在液体介质中向一定方向运动，实现觅食或应答环境的变化。一些动物细胞也带有纤毛，纤毛的运动可以推动组织表面的液体做定向流动，从而传输某些信号分子，影响靶细胞的定向分化与发育。此外，纤毛也作为感受装置，接受和传递外界物理或化学信号刺激，参与一系列细胞或机体内信号调控过程，影响细胞的生理状态或组织器官的发育。
在动物胚胎发育过程中，细胞或器官表面纤毛的
结构和运动对决定躯体各器官的正常分布发挥重要的作用，如驱动蛋白家族的成员Ki3与T相关。Kif3A和Ki3B的基因剔除小鼠表现为发育过程中左右体轴形成不全。究其原因，是由于小鼠胚胎发育过程中胚胎结细胞所具有的单纤毛( monilia)结构发育不全。Kif3A
和Ki3B的基因剔除小鼠胚胎结细胞的纤毛( nodal cilia)中微管的排列方式与野生型小鼠“9+2”排列模式不同，呈不能运动的“9+0”结构。野生型小鼠胚胎结细胞的纤毛呈涡旋运动，产生一个左旋的液流，从而打破了小鼠胚胎发育过程中的对称性，为左右体轴的形成提供了可能。而在Kif3A或Ki3B的基因剔除小鼠胚胎结细胞由于纤毛发育不全，致使胚胎结处的左旋液流的形成受阻，最终导致左右体轴形成障碍。在一些频发内脏易位的小鼠品系中，往往可见到胚胎结细胞的纤毛异常。
存在于肾上皮细胞的原生纤毛是突出于细胞表面的物理感受器( mechanosensor)，它通过感受液体的流动
来起始细胞内的钙信号通路。 polycystin-1、 polycystin-2和 polyductin/fibrocystin这3个定位于纤毛膜上的蛋自质是构成物理感受器的重要组分，如果这些蛋白质缺失，
那么就算纤毛结构完整，钙信号通路仍然无法启动，最终导致多囊肾的发生。
些特化的纤毛还行使化学感受器的功能，它对于生物体的光感受和嗅觉是不可或缺的。例如，在哺乳动物的视网膜上视锥细胞和视杆细胞利用特化的纤毛来感受光信号，并将信息传递给下游的双极神经元和水平细胞。感光细胞包括由纤毛连接的外段和内段，外段是高度动态的结构，而动态的维持则依赖于IFT。如果IFT缺失，外段结构会解体，从而导致失明哺乳动物的嗅觉神经元利用球状树突末端的
15~20根纤毛来感受气味。纤毛缺陷的小鼠和患巴尔德-别德尔( Bardet-Biedl)综合征的患者，会出现嗅觉丧失症状。
此外纤毛参与了发育过程中的两类重要的信号通路 -Hedgehog(hh)信号通路和 Wingless(Wnt)号通路。如果纤毛缺失，通路就无法对外源信号做出应答，从而会造成神经管无法闭合、脑形态异常、多指、左右体轴异常和肾囊肿等发育缺陷。
九、纺锤体和染色体运动
当细胞从间期进入有丝分裂期，间期细胞的微管网络解聚为游离的微管蛋白，然后组装形纺锤体微管，介导染色体的运动；分裂末期，纺锤体微管解聚，又组装形成细胞质微管网络。
纺锤体微管包括动粒微管、极微管和星体微管。动粒微管连接染色体动粒与位于两极的中心体。极微管从两极发出，在纺锤体中部赤道区相互交错重叠。星体微管从中心体向周围呈辐射状分布。
有丝分裂过程中染色体的运动有赖于纺锤体微管的组装和解离。在这一过程中动粒微管与动粒之间的滑动主要是靠结合在动粒部位的 kinesin-13家族的成员和细胞质动力蛋白沿微管的运动来完成。极微管在纺锤体的中部交错重叠，分布在该区域的 kinesin-.5家族的成员如Cikl和Cinl等为双极马达蛋白，其中一端的两个马达结构域沿一条微管运动，另一端的两个马达结构域沿来自另外一极的微管运动。由于重叠的两条微管的极性相反，故当双极驱动蛋白四聚体沿微管向正极运动时，纺锤体二极间的距离延长，这是有丝分裂后期发生的重要事件(详见第十二章)。
