驅動蛋白

**驅動蛋白**（英語：Kinesin）是一類蛋白質超級家族，屬於分子馬達的一種，其成員代表驅動蛋白 - 1（Kinesin-1）在 1985 年被發現。驅動蛋白是由單體組成的多聚體，其「頭部」具有 ATP 酶活性，能通過水解 ATP 獲得能量，改變構型，進行運動。它和動力蛋白一樣，以微管構成的軌道進行滑行。與可以朝微管兩極運動的動力蛋白有些不一樣，一種驅動蛋白只能朝一個方向運動，如驅動蛋白 - 1 可以沿著微管的 + 運動，而另一些驅動蛋白則沿著 - 極運動，在細胞內起運輸作用，比如牽拉染色體，參與有絲分裂、減數分裂和細胞遷移過程。

最近的研究又發現一批與驅動蛋白 - 1 結構相關的蛋白質，它們一起構成驅動蛋白超級家族。這些蛋白質存在於絕大多數真核生物中。它們共有一保守的「馬達」域，含有約 350 胺基酸殘基，內有 ATP 結合位點和微管結合位點。即使在植物中，如擬南芥（_Arabidopsis thaliana_）中，目前也發現了 A，B，C 和 D 四種類驅動蛋白蛋白。

## 發現

20 世紀 80 年代中期，人們雖然知道細胞內存在著分子馬達，它們是 ATP 酶，靠著細胞骨架（具體來說是其中的微管）在細胞內執行者運輸任務，但其具體結構仍未被確定。驅動蛋白的同僚 —— 動力蛋白一直是該角色的主要候選者。一直到了 1985 年，Lasek, RJ 和 Brady, ST 則在 nature 上發表了《AMP-PNP 可以易化軸漿中運輸泡對微管的粘著》（_Attachment of transported vesicles to microtubules in axoplasm is facilitated by AMP-PNP_）一文，記述了他們的觀察所得：ATP 同型物 AMP-PNP 可以抑制軸突里的快速運輸，同時會使細胞器與微管連合更緊密。這說明了 AMP-PNP 可促進微管 —— 細胞器 —— 馬達分子複合體的形成。而這種馬達蛋白質，很快就在同年被 Vale RD, Reese TS 等人確定了。它們在烏賊那巨型的神經軸突軸漿中發現了一種可溶的蛋白質，可以使微管在玻璃上，乳膠微球在微管上和軸漿細胞器在微管上移動。而且他們發現牛的腦部有著與之同源的蛋白質。這種蛋白質在 ATP 同型物 —— 亞氨二磷酸鹽（imidodiphosphate）的存在下，顯示相當強的微管親和力。他們還將它從微觀上分離，與 ATP 混合放到凝膠過濾（gel filtration）柱上，該蛋白質在柱上移行，並被測重，得出 60 萬 atom 的分子量，11 到 12 和 6 到 7 萬 atom 的多肽鏈。這些數據有別於以往動力蛋白和肌球蛋白的數據。因此試驗人員認為，他們得到了一種新的分子馬達，並將之命名為驅動蛋白。而分子馬達的大熱門 —— 動力蛋白存在的確鑿實驗證據則在兩年後的 1987 年才發表。

釀酒酵母（_Saccharomyces cerevisiae_）的驅動蛋白基因序列最初是 1992 年由 Beltran,C 所發表。而在 NCBI 上的人體驅動蛋白馬達域的 mRNA 和蛋白質序列則是由南京醫科大學在 2001 年提供的。接著，2002 到 2003 年，富克葡萄孢盤菌（_Botryotinia fuckeliana_）、異旋孢腔菌（_Cochliobolus heterostrophus_）和玉米黑粉菌（_Ustilago maydis_）驅動蛋白馬達域的序列也被查明。同時，科學家還在如黑猩猩（_Pan troglodytes_）體內，預測了蛋白質異形體 1 和 2，它們和人類的驅動蛋白顯示出 98% 的同源性，而各自演化成為相同蛋白質的期望值為 0（就是指，假如兩個蛋白質獨立進化，是沒有可能達到如此 98% 相似的程度的）。換句話說，它們是來自同一祖先。

## 結構

驅動蛋白是由單體組成的聚合體。兩條包括催化活性的重鏈，而大部分驅動蛋白家族的成員重鏈都有一段 α 螺旋，兩個單體的 α 螺旋因組成捲曲螺旋（coiled coil）而緊密結合。另外它們還有兩條不具有催化活性的輕鏈。比如驅動蛋白 - 1 是一 alpha2-beta2 的異四聚體，驅動蛋白 - 5 則是同四聚體，驅動蛋白 - 2 則是異三聚體。

驅動蛋白 - 1 在高離子強度環境下會呈現其未摺疊狀態，沉降係數為 9S。相反，它會在低離子濃度時摺疊，沉降係數變為 9S。摺疊是重鏈的頭部和尾部的相互間作用促成的。這個結論，是根據實驗觀察得出的。無需輕鏈的存在，單單是由重鏈組成的二聚體也會從 5S 的未摺疊狀態改變構象成為 7S 的摺疊狀態。細胞卻要避免驅動蛋白的摺疊，因為摺疊狀態的驅動蛋白並不能快速行進，而且對微管的親和力也不高。

從掃描電子顯微鏡觀察得出的結果，驅動蛋白 1 和驅動蛋白 14（有被命為 Ncd）雖然迴響著不同的方向運動，但是它們頭部與微觀結合的結構卻是相似的。

## 分類

根據結構特徵，驅動蛋白可分為：

* 氨基端驅動蛋白 (KIN N)：又稱為正極向驅動蛋白，驅動蛋白從微管的負極向正極運動
* 羧基端驅動蛋白 (KIN C)：又稱為負極向驅動蛋白，驅動蛋白從微管的正極向負極運動
* 中間驅動蛋白 (KIN I) 。不具有馬達蛋白的運輸功能，而具有解聚微管的功能

驅動蛋白可分為 14 個家族 (Kinesin- 1-14) 及一類孤兒驅動蛋白。植物中不存在 Kinesin-2, 3, 9 和 11 家族，但獨有驅動蛋白 KINU 家族。

## 驅動蛋白 - 1

驅動蛋白 - 1 是第一種被發現的驅動蛋白，存在於目前已研究的所有多細胞生物即其所有細胞種類之中，並且可見於細胞生長的各個階段。大部分的驅動蛋白 - 1 都游離於胞質中，一些則會連接一些和胞膜相連的細胞器，如小泡，內質網，還有內質網與高爾基體之間的膜性結構。科學家將在試管中得到證實的抗驅動蛋白 - 1 抗體注射入或者散布在細胞上，再觀察其結果，可見微管依賴的溶酶體，高爾基體驅動的小泡，與胞膜連接的色素顆粒還有中間纖維的運輸都受到抑制。在另一組實驗中，科學家將反義寡核苷酸結合到驅動蛋白 - 1 的 mRNA 上，抑制其翻譯，發現軸突內各種蛋白質的順行性運輸（anterograde axonal transport）都受阻。加上其它數據，可以推測驅動蛋白 - 1 會拉動細胞器，在微管上朝著其 + 極運動。

科羅拉多大學（University of Colorado）的比爾・薩斯通帶領其實驗室對黑腹果蠅的驅動蛋白 - 1 或驅動蛋白重鏈（kinesin heavy chain，簡稱 Khc）的致死性隱性突變進行了研究，並得出結論：驅動蛋白 - 1 是軸突快速運輸的一種馬達。果蠅在死亡之前，患有進行性遠端麻痹（progressive distal paralysis）。而且麻痹最嚴重的部位是後部體節的腹側面。這樣會造成其幼蟲身體收縮的不對稱，尾部會有節奏的往上翹並屈爬向前。這種表現型是神經系統因為軸突快速運輸功能障礙而受損。在果蠅幼蟲第二齡期（instar），體節神經軸突末端會與胞膜結合的細胞器共同形成膨大，這種堵塞應該是由失能的驅動蛋白，運輸無力，貨物被堆積積聚而造成的膨大會變得越來越大，這會引起遺傳性神經接合，順行性和逆行性（retrograde）快速運輸都會受阻。驅動蛋白這種變異會在第三齡期因為降低離子通道活性，而造成動作電位散布受阻。因此實驗人員認為，細胞器阻塞使得離子通道成分順行性運輸受阻。來自免疫細胞學方面的證據更是進一步指出，甚至是 II 型成束蛋白（Fasciclin II），突觸結合蛋白（synaptotagmin）和突觸融合蛋白（syntaxin）這些神經突觸組成所需的蛋白質也一樣會受阻。運動神經元末端營養不足。因此這些果蠅在第三齡期後側體節軸突數量只有正常的 1/5，前端的只有正常 1/3。不但是突觸的數量，就是連神經遞質也會減少。又因為果蠅神經元胞體在頭部，其支配尾部體節的軸突要比支配前端的長，所以驅動蛋白 - 1 的失活會導致這種長短距不一的效果。變異果蠅的奇怪表現型也得到了解釋。

## 參看

* 動力蛋白
* 分子馬達

## 參考文獻