陳邵宏， 龐效云， 孫 飛

1.中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所，生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；2.南京大學(xué)匡亞明學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)強(qiáng)化部，南京210093

引言

在細(xì)胞中，線粒體運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞骨架軌道主要有兩種——微管和微絲；為線粒體運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力的馬達(dá)分子，包括kinesin(驅(qū)動(dòng)蛋白)、dynein(動(dòng)力蛋白)和myosin(肌球蛋白)三大類；而將馬達(dá)蛋白與線粒體相連的則是銜接蛋白，如syntabulin、milton和m iro。

線粒體的運(yùn)動(dòng)可以分為兩大類：由核向外周的順行運(yùn)動(dòng)，以及由外周向核的逆行運(yùn)動(dòng)。高度極化的細(xì)胞 (如神經(jīng)細(xì)胞和芽殖酵母)對(duì)線粒體的運(yùn)動(dòng)十分敏感，因此，它們也常被作為研究線粒體的模式系統(tǒng)。

以下我們分別就神經(jīng)細(xì)胞和芽殖酵母這兩種系統(tǒng)綜述線粒體的運(yùn)動(dòng)模式。

神經(jīng)細(xì)胞

神經(jīng)細(xì)胞是一種高度分化的細(xì)胞，線粒體在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的分布是與細(xì)胞能量狀態(tài)和新陳代謝需求相一致的，這就需要特殊的機(jī)制來(lái)調(diào)控線粒體的運(yùn)動(dòng)及其在某些特殊位點(diǎn)的固定，比如活躍的生長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)附近、某些突觸末梢、樹突、郎飛結(jié)、遠(yuǎn)端初始段、髓鞘形成邊緣和軸突蛋白合成位點(diǎn)[1]。根據(jù)研究，具有正常膜電位的線粒體表現(xiàn)為高水平的順行運(yùn)動(dòng);而當(dāng)膜電位和ATP合成活動(dòng)受干擾時(shí)，線粒體則表現(xiàn)為高水平的逆行運(yùn)動(dòng)[2]。與此相一致，聚集在突觸前端的線粒體與其它位置的線粒體相比，具有更高的膜電位[3]。線粒體能量狀態(tài)與其運(yùn)動(dòng)性的協(xié)同機(jī)制還不清楚，然而，以上發(fā)現(xiàn)提高了這樣一種可能性：線粒體順行運(yùn)動(dòng)至神經(jīng)元的作用部位，而逆行至胞體被降解和回收。

線粒體的運(yùn)行軌道

細(xì)胞骨架不僅為神經(jīng)元提供了結(jié)構(gòu)上的支持，也為細(xì)胞器的運(yùn)輸和固定提供了條件。盡管神經(jīng)纖維細(xì)胞骨架包括微管、微絲和中間絲，但只發(fā)現(xiàn)前兩者對(duì)線粒體的運(yùn)輸發(fā)揮作用。微絲的基本組分是一種球狀肌動(dòng)蛋白單體 (G-actin)，它可以通過(guò)二聚化形成短的雙螺旋纖維型肌動(dòng)蛋白 (F-actin)。這些單體按照從頭到腳的方式排列在二聚體中，于是產(chǎn)生了具有極性的微絲，它具有生化上的正負(fù)兩極區(qū)分。微管是延伸在整個(gè)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的中空?qǐng)A柱形多聚體，它由微管蛋白單體構(gòu)成，較肌動(dòng)蛋白纖維結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固。微管也具有極性和正負(fù)兩端。

微管及其結(jié)合蛋白

神經(jīng)元中不同部位的微管分布并不相同。在軸突中，微管是平行極化排列的，其正端指向突觸方向；而在樹突中，微管排列則包括平行和反平行兩種方式 (見圖1)[4]。微管的這種結(jié)構(gòu)和排布特性，對(duì)于kinesin和dynein等線粒體馬達(dá)蛋白與之結(jié)合及運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。kinesin馬達(dá)一般介導(dǎo)貨物沿軸突方向順行運(yùn)動(dòng)，dynein驅(qū)動(dòng)貨物沿軸突方向逆行運(yùn)動(dòng)。

神經(jīng)元中的微管被微管結(jié)合蛋白 (m icrotubule-associated proteins,MAPs)修飾 (如tau蛋白)，而kinesin和dynein在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到MAPs時(shí)，勢(shì)必會(huì)受到影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遇到微管上由大量tau蛋白形成的斑塊時(shí)，kinesin傾向于自身解離，而dynein則傾向于反向運(yùn)動(dòng)。且kinesin對(duì)于tau蛋白的濃度更為敏感，其被tau蛋白抑制的濃度僅為dynein的十分之一。在正常細(xì)胞的tau蛋白濃度下，由于dynein對(duì)tau的低敏感性，使得其不易受到正常細(xì)胞tau蛋白濃度的影響，但同樣的tau蛋白濃度卻能對(duì)kinesin的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。在正常細(xì)胞中，細(xì)胞體的tau濃度低，而突觸端的tau濃度高，這有助于kinesin在細(xì)胞體附近與微管結(jié)合，順行運(yùn)動(dòng)至突觸處釋放。而在某些神經(jīng)退行性疾病中，如阿茲海默氏病，tau蛋白常常在細(xì)胞體附近聚集，這就影響了kinesin將線粒體運(yùn)輸?shù)酵挥|的過(guò)程[6]。

微絲(肌動(dòng)蛋白纖維)

微絲，又稱肌動(dòng)蛋白纖維。神經(jīng)細(xì)胞中，微絲分布在微管數(shù)量較少的部位 (比如突觸前端末梢和樹突脊)，輔助微管進(jìn)行線粒體的短距離運(yùn)輸。微絲是由肌動(dòng)蛋白單體組成的螺旋形多聚物，它的兩端具有不同的生長(zhǎng)速度。在神經(jīng)元中，肌動(dòng)蛋白纖維還會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)狀。肌動(dòng)蛋白纖維的走向可以直接影響分子馬達(dá)myosin的活性[7]。間接證據(jù)表明，myosinⅠ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ家族可能是線粒體在微絲上運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)分子，但其具體作用機(jī)制尚不清楚[8]。

中間纖維

圖1 微管在神經(jīng)細(xì)胞中分布示意圖[5]在神經(jīng)細(xì)胞的軸突中，微管是極化排列的，正端指向突觸端，負(fù)端指向細(xì)胞體端。而在樹突中，微管則是混合排列的。樹突作為信號(hào)的輸入端，將許多神經(jīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)遞質(zhì)運(yùn)往細(xì)胞體；軸突作為神經(jīng)信號(hào)的傳出部位，通過(guò)kinesin(KIF5,KIF1)馬達(dá)將突觸小泡和線粒體等運(yùn)往突觸，也會(huì)通過(guò)dynein馬達(dá)將線粒體運(yùn)回細(xì)胞體。圖片使用得到了Elsevier的允許Fig.1 The sketch m ap of m icrotubules distribution in neuron[5] In the axon of neuron,m icrotubules are arrayed in polarity,w ith the plus ends toward the axonal term inals and the m inus ends the cell body;while in dendrites,m icrotubules are arrayed in opposite directions.Dendrites,as the entrances for information importation, transport various synaptic cargos to the cell body;axon,as the exit of nerve information,transports the axonal vesicles and m itochondria to the synapse,with the help of kinesin(KIF5,KIF1) motor.The cargos can be transported back to the cell body as well with the help of dynein motor.Reprinted w ith permission from Elsevier

中間纖維 (intermediate filament,IF)直徑介于微絲和微管之間，是最穩(wěn)定的細(xì)胞骨架。在細(xì)胞中，中間纖維圍繞細(xì)胞核分布，無(wú)正負(fù)極性之分。中間纖維蛋白有三種類型：角蛋白、神經(jīng)絲和波形蛋白。每種類型都含有一個(gè)保守的α-螺旋中心桿狀結(jié)構(gòu)域，兩端則是不同非α-螺旋的頭部域和尾部域[9]，桿狀域負(fù)責(zé)中間纖維的組裝，而頭部域和尾部域則暴露在成熟的10 nm纖維表面，為線粒體和其它蛋白提供潛在的結(jié)合位點(diǎn)。已經(jīng)有證據(jù)表明，中間纖維與線粒體存在相互作用，例如，在橫紋肌細(xì)胞中，IF蛋白——肌間線蛋白(desmin)的缺失，改變了線粒體的分布、形態(tài)和呼吸作用，還會(huì)抑制心肌細(xì)胞中線粒體對(duì)kinesin的招募；而線粒體調(diào)控細(xì)胞凋亡過(guò)程中，核心部件Bcl-2的過(guò)度表達(dá)，可修復(fù)desm in突變型中的線粒體缺陷[10]。另一種中間纖維蛋白波形蛋白也被證明，其N端非α-螺旋域參與了與線粒體的結(jié)合，并且抑制了線粒體的運(yùn)動(dòng)[11]。

線粒體運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)

線粒體在軸突方向的長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸是沿微管進(jìn)行的，并依賴馬達(dá)蛋白，利用ATP供能提供動(dòng)力。kinesin馬達(dá)負(fù)責(zé)線粒體的順行運(yùn)動(dòng)，dynein馬達(dá)負(fù)責(zé)線粒體的逆行運(yùn)動(dòng)，而myosin則負(fù)責(zé)線粒體在微絲上的短距離運(yùn)動(dòng)。

Kinesin馬達(dá)

Kinesin家族中包含超過(guò)40個(gè)成員。典型的kinesin是一個(gè)由兩條重鏈和兩條輕鏈構(gòu)成的蛋白質(zhì)二聚體，每條重鏈都有一個(gè)保守的球狀馬達(dá)功能域，包含一個(gè)ATP水解位點(diǎn)和一個(gè)微管結(jié)合位點(diǎn)。重鏈通過(guò)一個(gè)短而靈活的頸部與富含α螺旋的輕鏈相連，兩條輕鏈連接成為尾部域，進(jìn)而構(gòu)成二聚體 (見圖2)。馬達(dá)域之外區(qū)域的差別決定了不同kinesins的不同功能，如裝載貨物的性質(zhì)和馬達(dá)活性的調(diào)節(jié)等[12]。

圖2 典型的kinesin形態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式圖 Kinesin灰色部分由kinesin兩條輕鏈構(gòu)成的尾部域以及兩個(gè)細(xì)短而靈活的頸部構(gòu)成，頸部的功能是連接尾部和頭部。球狀頭部是馬達(dá)功能域，它通過(guò)微管結(jié)合位點(diǎn)與微管相互作用，并通過(guò)水解ATP提供動(dòng)力沿著微管運(yùn)動(dòng)Fig.2 The m ode l of typical kinesin's shape and m obility The body in gray is composed of a tail(containing two light chains)and two thin but flexible necks connecting the tail and heads.The head,the motor domain, interacts with m icrotubule through its m icrotubule-binding site and produces energy by ATP hydrolysis

Kinesin-1是活細(xì)胞中第一個(gè)被鑒定出來(lái)的軸突方向運(yùn)輸馬達(dá)蛋白，它包括兩條重鏈和兩條輕鏈，其重鏈被稱作KIF5(kinesin superfamily protein 5)，N端馬達(dá)域直接與微管相連，C端直接與貨物或間接通過(guò)輕鏈與貨物相連；而輕鏈則能通過(guò)卷曲螺旋域形成同源或異源二聚體[5]。

除了KIF5，kinesin-3家族成員KIF1Bα可能也是一種參與線粒體運(yùn)動(dòng)的kinesin馬達(dá)蛋白，而該家族的另一個(gè)成員KIF1Bβ主要參與神經(jīng)細(xì)胞中突觸小泡的運(yùn)輸，KIF1Bα與KIF1Bβ的C端差異造成所裝載的貨物不同。根據(jù)是否存在兩段插入序列，KIF1B具有多種異構(gòu)體。第一段插入序列為一段賴氨酸豐富的環(huán)狀域，也被稱為K-loop；第二段插入序列位于與馬達(dá)功能域銜接的位置。絕大多數(shù)的KIF1B異構(gòu)體或者同時(shí)具有這兩段插入序列，或者兩者皆無(wú)。實(shí)驗(yàn)證明，這兩段插入序列都能夠獨(dú)立加強(qiáng)與微管的親和力及ATP酶活性，但是沒有觀察到其對(duì)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度的影響[12]。

Dynein馬達(dá)及其激活蛋白

Dyneins可分為胞質(zhì)動(dòng)力蛋白 (cytoplasm ic dynein)和軸絲動(dòng)力蛋白 (axonemal dynein)，前者是軸突中線粒體逆行運(yùn)動(dòng)的主要馬達(dá)，而后者主要分布在纖毛或鞭毛中，用于線粒體的運(yùn)輸。Dynein是一個(gè)巨大而復(fù)雜的分子 (約1.5MDa)，大約有12個(gè)多肽亞基，它包含兩條重鏈和相當(dāng)數(shù)量的中等鏈、中輕鏈及輕鏈 (圖3)，這些肽鏈的功能可能包括聯(lián)系dynein馬達(dá)與運(yùn)載貨物，或者調(diào)控線粒體的運(yùn)動(dòng)[5]。

圖3 Dynein形態(tài)模式圖 Dynein兩個(gè)巨大的球狀頭部是由其一部分重鏈構(gòu)成的，另一小部分重鏈和中輕鏈構(gòu)成了連接重鏈頭部與輕鏈尾部的干(stem)，輕鏈用于與貨物的連接，與kinesin不同的是，重鏈頭部并沒有直接與微管相連，而是通過(guò)一段莖(stalk)在微管上運(yùn)動(dòng)Fig.3 The m odel of dynein's shape The two giant heads of dynein is made up of a part of heavy chain; the left part of heavy chain and mediate light chains constitute the stem,binding heavy chain head and light chain tail;the light chain tail is used to associate w ith the cargo.Different from kinesin,the heavy chain head does not connect with m icrotubule directly, instead mobiles on the m icrotubule through a segment of stalk

絕大多數(shù)胞質(zhì)dynein的功能離不開一個(gè)巨大復(fù)合物dynactin的作用。Dynactin(動(dòng)力蛋白激活蛋白)分子量約1.2MDa，包含有11個(gè)不同的亞基，其最大亞基p150Glued(在酵母中的同源物為Nip100)可將胞質(zhì)dynein和微管直接相連，并能夠加強(qiáng)dynein馬達(dá)在微管上的持續(xù)合成能力。Dynactin主要由肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白Arp1纖維構(gòu)成，纖維兩端有CapZ、Arp11和P62等亞基，突出的側(cè)臂由p150Glued的二聚體形成，p150Glued的N端包含一個(gè)CAP-Gly結(jié)構(gòu)域和一個(gè)堿性結(jié)構(gòu)域，二者都能與微管相連[13]。酵母同源蛋白體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，dynactin通過(guò)Nip100上的一個(gè)卷曲螺旋區(qū)域增加了 dynein運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)[14]，并且，對(duì)dynein-dynactin復(fù)合物的研究指出，dynein馬達(dá)可以雙向運(yùn)輸，而不僅僅是沿著微管負(fù)向運(yùn)輸[15]。

胞質(zhì)dynein對(duì)于神經(jīng)元線粒體軸突方向的運(yùn)輸不可或缺。在果蠅中，胞質(zhì)dynein是介導(dǎo)線粒體逆行運(yùn)動(dòng)的基本馬達(dá)。此外，dynein重鏈基因和dynactin p150Glued基因的突變可以擾亂雙向的細(xì)胞器快速運(yùn)動(dòng)，結(jié)果造成軸突因聚集了大量順行和逆行貨物 (包括線粒體)而膨大，這與kinesin變異的表型相似。另外，dynactin亞基p150Glued的一種基因突變?cè)斐闪司€粒體在細(xì)胞體的聚集。這些現(xiàn)象似乎暗示著，kinesin和dynein這兩種功能相反的馬達(dá)有可能通過(guò)某種機(jī)制相互協(xié)調(diào)。而這種機(jī)制的具體內(nèi)容及這些馬達(dá)究竟如何與突觸活性和神經(jīng)元細(xì)胞功能協(xié)調(diào)一致地控制線粒體的運(yùn)動(dòng)和分布，都是我們要探究的問題[5]。

Myosin馬達(dá)

當(dāng)以微管為基礎(chǔ)的分子馬達(dá)kinesin和dynein正在以很快的速度將貨物或者細(xì)胞器運(yùn)過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的軸突時(shí)，myosin則正在突觸前端末梢或者生長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)處，沿著肌動(dòng)蛋白纖維進(jìn)行短距離運(yùn)輸。盡管還沒有直接證據(jù)證明myosin在以肌動(dòng)蛋白為基礎(chǔ)的神經(jīng)元線粒體運(yùn)輸中所發(fā)揮的作用，但是在芽殖酵母、曲霉和植物細(xì)胞中，依賴于肌動(dòng)蛋白的線粒體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)被很好地描述出來(lái)。

Myosin在形態(tài)上可以分為頭部域、頸部域和尾部域。其中，頭部域與肌動(dòng)蛋白纖維相連接，并且具有ATP水解活性，為馬達(dá)的逆行運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力；頸部域的功能為連接和力的傳遞；尾部域參與與貨物或其他myosin組分的相互作用，也可能與馬達(dá)功能的調(diào)節(jié)相關(guān)。

雖然myosinⅠ、Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ都被認(rèn)為參與了神經(jīng)元中細(xì)胞器和小泡的運(yùn)輸，但是myosinⅤ具有其特殊性，它還被認(rèn)為與其它特殊myosins的定位及其在軸突中運(yùn)輸線粒體相關(guān)[7]。myosinⅤ是一個(gè)雙頭的馬達(dá)，它包括一個(gè)獨(dú)特的球狀尾部域，在與肌動(dòng)蛋白纖維解離時(shí)會(huì)經(jīng)歷多種方式[16]。因?yàn)閙yosinⅤ與貨物結(jié)合的運(yùn)動(dòng)速率同線粒體在肌動(dòng)蛋白纖維上的運(yùn)動(dòng)速率相近，但是卻比其它軸突小泡或者細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)速度慢，因此，myosinⅤ很可能介導(dǎo)線粒體沿著軸突運(yùn)動(dòng)。此外，myosinⅤ還可與任何一個(gè)kinesin馬達(dá)直接作用而形成異源馬達(dá)復(fù)合物，或者與8 kD的dynein輕鏈結(jié)合[17]，這使得雙馬達(dá)復(fù)合物協(xié)同調(diào)控線粒體在微管上進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，以及在肌動(dòng)蛋白纖維上進(jìn)行短距離運(yùn)輸成為可能。所以，myosinⅤ是驅(qū)動(dòng)線粒體在肌動(dòng)蛋白纖維上運(yùn)輸?shù)淖罴押蜻x分子，盡管現(xiàn)在還不清楚myosinⅤ是否連到軸突線粒體，以及線粒體向突觸端運(yùn)輸過(guò)程中到底多大程度上需要myosinⅤ。

Myosin-ⅪⅩ(myo19)，是人體內(nèi)新發(fā)現(xiàn)的一種與線粒體運(yùn)輸和保留相關(guān)的馬達(dá)，在它970個(gè)氨基酸殘基的重鏈上，包含有一個(gè)馬達(dá)域、三個(gè)IQ motif和一個(gè)短尾。頸部的三個(gè)IQ motif可能與鈣調(diào)蛋白或類似鈣調(diào)蛋白的輕鏈相連；尾部則是線粒體定位必不可少的[18]。在GFP-Myo19過(guò)量表達(dá)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，線粒體運(yùn)動(dòng)的平均步長(zhǎng)變小，這可能是由于myo19促進(jìn)線粒體的運(yùn)行軌道從肌動(dòng)蛋白纖維變?yōu)槲⒐芩耓19]。

將線粒體連接到馬達(dá)上的銜接蛋白

貨物必須與合適的運(yùn)輸馬達(dá)相連后才能在相應(yīng)的細(xì)胞骨架軌道上運(yùn)行，這種連接方式至少有兩種，一種是馬達(dá)蛋白與貨物上的受體直接相連，一種是通過(guò)銜接蛋白間接相連。目前的證據(jù)表明，第二種連接方式在神經(jīng)元中更為重要[20]，雖然現(xiàn)在還不清楚脂類相互作用是否有助于將馬達(dá)蛋白招募到線粒體膜上，但是，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，一些銜接蛋白復(fù)合物在特定的運(yùn)輸機(jī)制中與線粒體的連接有關(guān)。

Syntabulin

Syntabulin是外周膜結(jié)合蛋白，最初被認(rèn)定為一種與突觸融合蛋白 (syntaxin)相結(jié)合的蛋白，它將含有syntaxin的小泡通過(guò)kinesin-1連接到微管[21]。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，syntabulin通過(guò)C端尾巴可以與線粒體相連，并在線粒體順行運(yùn)動(dòng)中起核心作用[22]。Syntabulin包含多種kinesin共有區(qū)，這為依賴于信號(hào)的蛋白質(zhì)磷酸化調(diào)節(jié)提供了條件[5]。對(duì)kinesin-syntabulin相互作用的抑制將會(huì)擾亂線粒體在軸突中的順行運(yùn)動(dòng)，而不影響其逆行運(yùn)動(dòng)，因此，syntabulin是一種在線粒體順行運(yùn)動(dòng)中起重要作用的連接線粒體與kinesin的銜接蛋白。

Milton和Miro

M ilton是另一種在軸突線粒體運(yùn)輸中起作用的連接組分，它是一種果蠅線粒體的銜接蛋白，在人類中有兩種同源物，Grif-1和OIP106。三種蛋白都包含一個(gè)huntingtin連接蛋白1 (huntingtin associated protein 1,HAP1)的N端 (HAPN)同源區(qū)域，這一區(qū)域折疊成兩個(gè)卷曲螺旋域[23]。M ilton的N端負(fù)責(zé)將KHC(kinesin heavy chain)招募到線粒體[27]，milton的變異將導(dǎo)致突觸末端和軸突中線粒體的丟失[24]。在人類神經(jīng)細(xì)胞中，含量豐富的Grif-1還參與了與A型γ-氨基丁酸 (GABAA)受體和β氧連N-乙酸葡糖胺轉(zhuǎn)移酶 (OGT)的相互作用。

M iro(mitochondrial Rho-GTPase，線粒體Rho GTP酶)在線粒體外膜上定位，負(fù)責(zé)將與KHC相連的milton與線粒體連接。M iro在人類中有兩種同源物，hM iro1和hM iro2，酵母中只有一種Gem1，它們的結(jié)構(gòu)中都含有兩個(gè)不同的GTP酶結(jié)構(gòu)域、兩個(gè)EF手形 (EF hand)鈣聯(lián)區(qū)域和一段跨膜的C端尾巴。獨(dú)特的EF手形使得M iro有可能感知細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，從而影響線粒體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高濃度的Ca2+抑制了線粒體的運(yùn)動(dòng)[25]。dM iro基因的突變擾亂了線粒體的順行運(yùn)動(dòng)，從而破壞延時(shí)刺激時(shí)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和Ca2+的緩沖[26]。生化和遺傳學(xué)證據(jù)表明，kinesin重鏈KIF5的招募和線粒體運(yùn)輸都是獨(dú)立于kinesin輕鏈的，但是kinesin輕鏈會(huì)抑制KIF5與m ilton的連接[27]。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，在milton-m iro復(fù)合物中還存在著另一種重要的蛋白組分pink1，它是定位于線粒體外膜的一種激酶，被認(rèn)為可以促進(jìn)線粒體的分裂而抑制其融合，pink1蛋白的缺失會(huì)影響線粒體的形狀和運(yùn)動(dòng)。有趣的是，pink1本身的序列并不含有線粒體定位區(qū)域，而是通過(guò)與milton和miro的相互作用與線粒體相連，而且，三者共同作用可以調(diào)節(jié)線粒體融合分裂動(dòng)態(tài)[28,29]，如圖4。

雖然m ilton和syntabulin都是重要的線粒體與馬達(dá)蛋白之間的銜接蛋白，但它們通過(guò)不同的機(jī)制發(fā)揮作用，這包括他們與馬達(dá)分子KIF5B的連接方式、與線粒體的連接方式，以及對(duì)鈣離子信號(hào)的反應(yīng)和蛋白質(zhì)磷酸化的調(diào)節(jié)等。線粒體受體或者馬達(dá)-銜接蛋白復(fù)合物的鑒定促進(jìn)了對(duì)于線粒體運(yùn)動(dòng)機(jī)制的理解，為進(jìn)一步研究神經(jīng)元中線粒體如何運(yùn)輸和分布的分子機(jī)制提供了有效途徑。

圖4 Milton-m iro復(fù)合物將 kinesin連接到線粒體示意圖[29] M ilton-m iro復(fù)合物作為一種至少含有三種組分的連接蛋白復(fù)合物，將線粒體與kinesin相連，其中組分milton與kinesin重鏈相連，miro銜接milton與線粒體，而pink1則通過(guò)與miro和milton的相互作用定位于線粒體外膜。圖片使用得到了美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)允許Fig.4 The m odel of Milton-m iro com plex linking kinesin and m itochondrion[29] M ilton-m iro complex,as an adapter complex containing three components at least,links kinesin to the m itochondrion.M ilton links w ith kinesin heavy chain;m iro mediates m ilton and m itochondrion;while pink1 localizes on the m itochondrial outer membrane by interacting with m iro and milton.Adapted w ith permission from Copyright(2009) American Chemical Society

芽殖酵母

芽殖酵母的運(yùn)行軌道——肌動(dòng)蛋白錨鏈(cable)

在芽殖酵母中，細(xì)胞質(zhì)微管是稀疏的，藥物學(xué)和基因改造研究表明，線粒體運(yùn)動(dòng)并不依賴微管，而是依賴于肌動(dòng)蛋白纖維束。在酵母線粒體和肌動(dòng)蛋白骨架的同步攝影中發(fā)現(xiàn)，線粒體是沿著肌動(dòng)蛋白錨鏈運(yùn)動(dòng)的[30]。如果通過(guò)藥物處理破壞肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架、去除肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白，或者改變myosin在肌動(dòng)蛋白單體上的結(jié)合位點(diǎn)，都會(huì)造成線粒體運(yùn)動(dòng)的停止。

單體肌動(dòng)蛋白聚合成為肌動(dòng)蛋白絲，而這些細(xì)絲或者聚集成束作為肌動(dòng)蛋白錨鏈，或者聚集成簇成為肌動(dòng)蛋白外周補(bǔ)丁 (其典型功能是作為內(nèi)吞作用位點(diǎn))[31]。肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架并非靜止的，而是在向母體逆流。肌動(dòng)蛋白纖維在Arp2/3復(fù)合物作用下可使倒鉤端 (正向端)生長(zhǎng)，這對(duì)肌動(dòng)蛋白錨鏈的逆流意義重大。

Mitochore將線粒體與肌動(dòng)蛋白束相連

M itochore復(fù)合物包含M dm10p、M dm12p和Mmm1p，它可能通過(guò)招募Arp2/3參與線粒體-肌動(dòng)蛋白連接[32,33]。MDM10、MDM12和MMM1基因的缺失都會(huì)造成m tDNA遺傳缺陷，以及線粒體形態(tài)與線粒體外膜β-桶蛋白的缺陷。此外，m itochore復(fù)合物的組分Mdm10p、Mdm12p和Mmm1p都直接參與了外膜β-桶蛋白的組裝[34,35]。

MDM10基因缺失的細(xì)胞中，線粒體形成一個(gè)大的球狀結(jié)構(gòu)，不能很好地從母體向芽體運(yùn)動(dòng)，并且出現(xiàn)m tDNA的迅速丟失；但是MDM10的變異并不會(huì)影響細(xì)胞核遺傳或者損傷細(xì)胞生命力。有觀點(diǎn)認(rèn)為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是MDM10的缺失抑制了收縮環(huán)的閉合，但不會(huì)影響其在細(xì)胞分裂后期的組裝和定位；并且其延遲了有絲分裂結(jié)束網(wǎng)絡(luò) (mitotic exit network,MEN)組分Cdc14p(其作用是促進(jìn)有絲分裂結(jié)束和細(xì)胞質(zhì)分裂的開始)的釋放，這也可能是mdm10Δ細(xì)胞中出現(xiàn)了多出芽現(xiàn)象[36]的原因[37]。

順行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力：Arp2/3復(fù)合物

Arp2/3復(fù)合物是順行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力生產(chǎn)者?；铙w細(xì)胞攝影證明，線粒體的順行運(yùn)動(dòng)需要Arp2/3被招募到線粒體并活化。活化后，Arp2/3復(fù)合物能夠促進(jìn)肌動(dòng)蛋白成核，使肌動(dòng)蛋白纖維在倒鉤端 (正向端)生長(zhǎng)，促進(jìn)肌動(dòng)蛋白聚集成為沿著肌動(dòng)蛋白錨鏈向母體端逆行運(yùn)動(dòng)的外周肌動(dòng)蛋白補(bǔ)丁[38,39]，使肌動(dòng)蛋白錨鏈逆流。Arp2/3復(fù)合物還能夠與剛剛聚合的F-actin結(jié)合，這兩種活性導(dǎo)致了肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)在線粒體表面的形成，也為其運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力。

線粒體的一種外周膜蛋白Jsn1p，在體外可以與純化的Arp2/3亞基相連，并且也是線粒體順行運(yùn)動(dòng)所必須的，因此，Jsn1p很可能是線粒體上Arp2/3復(fù)合物的受體蛋白[40]。

線粒體在兩端的保留

在芽殖酵母細(xì)胞分裂中，需要線粒體從母體向芽體運(yùn)動(dòng)，但是，線粒體在母體遠(yuǎn)端的保留阻止了所有線粒體都被運(yùn)往芽體端。理論上，肌動(dòng)蛋白束的逆行流動(dòng)可以將線粒體帶回母體，因此，線粒體在芽體端的錨定也很必要。

Ⅴ型myosin和它的連接伴侶Ypt11p(一種Rab G蛋白)，在線粒體在芽端的錨定中起作用[41]。在芽殖酵母中，有兩種Ⅴ型myosin——Myo2p和M yo4p。前者作用于分泌小泡、過(guò)氧化物酶體和高爾基體等在芽端的固定，后者則可能對(duì)順行mRNA運(yùn)動(dòng)以及mRNA在芽端的固定起作用。在MYO2和YPT11突變體中，都存在芽端線粒體保留的缺陷，但是線粒體的順行運(yùn)動(dòng)、形態(tài)，以及線粒體在肌動(dòng)蛋白束上的定位都不受影響。然而，去除芽端的Myo2p對(duì)線粒體在芽端的固定也無(wú)影響。因此，研究者認(rèn)為，Myo2p和Ypt11p并非直接在芽端固定線粒體，而是將線粒體的保留因子運(yùn)輸?shù)窖慷恕?/p>

根據(jù)以上的討論，我們可以建立這樣一種線粒體在芽殖酵母中運(yùn)輸和保留的圖象：肌動(dòng)蛋白錨鏈?zhǔn)蔷€粒體順行和逆行的運(yùn)行軌道；線粒體必須在m itochore的幫助下與肌動(dòng)蛋白錨鏈結(jié)合；并通過(guò)Jsn1p招募到為其順行運(yùn)動(dòng)提供能量的Arp2/3復(fù)合物才有可能被運(yùn)往芽體，否則隨著肌動(dòng)蛋白錨鏈的逆流回到母體；到達(dá)芽體后，線粒體與細(xì)胞膜在Myo2p和Ypt11p運(yùn)輸來(lái)的某些組裝因子的作用下，被固定在芽體端。Arp2/3復(fù)合物被招募到線粒體外膜有可能是決定線粒體去向的關(guān)鍵因素，而二者結(jié)合的牢固程度則是由線粒體的膜電勢(shì)決定的，如圖5[40]。

圖5 芽殖酵母中，線粒體向芽端運(yùn)輸?shù)捻樞泻湍嫘心Ｊ綀D[40]當(dāng)結(jié)合了m itochore的線粒體未在Jsn的幫助下招募到Arp2/3時(shí)，會(huì)隨著肌動(dòng)蛋白錨鏈的逆流而逆行向母體運(yùn)動(dòng)；若招募了Arp2/3，則會(huì)通過(guò)促進(jìn)肌動(dòng)蛋白纖維的聚合提供動(dòng)力，順行向芽體運(yùn)動(dòng)。圖片使用得到了Elsevier允許Fig.5 The m odel of m itochondria anterograde and retrograde m ovem ent in budding yeast[40] When the m itochondria associated w ith mitochore haven't recruited Arp2/3 complex by the help of Jsn, they have to move back to the mother end w ith the retrograde flow of the actin cable.However,if they have recruited Arp2/3 complex,which can supply energy by promoting the actin polymerization,m itochondria can move anterogradely to the daughter end.Reprinted with perm ission from Elsevier

線粒體除了通過(guò)mitochore在肌動(dòng)蛋白錨鏈上運(yùn)輸外，還存在第二種可能方式，即是依賴于某種馬達(dá)的連接。上文提到的myosinⅤ的一種異構(gòu)體Myo2p，參與了某些細(xì)胞器貨物向芽端的運(yùn)輸。而一種線粒體遺傳所必須的周邊外周蛋白Mm r1p，或者一種Rab GTP酶Ypt11p，都能與Myo2p尾端結(jié)合，而且過(guò)量表達(dá)都能驅(qū)動(dòng)線粒體向芽端運(yùn)動(dòng)。因此研究者認(rèn)為，M yo2p作為線粒體的馬達(dá)蛋白，通過(guò)Mm r1p或者Ypt11p作為銜接蛋白，在肌動(dòng)蛋白錨鏈上運(yùn)動(dòng)[40,42]。

總結(jié)

線粒體的運(yùn)動(dòng)和固定是一個(gè)十分重要而復(fù)雜的問題，其中涉及了許多分子馬達(dá)和銜接蛋白，但是很多具體機(jī)制還不是很清晰。隨著更多線粒體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的重要蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)被解析，我們將更好地了解這些機(jī)制產(chǎn)生的原因，為設(shè)計(jì)與線粒體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的藥物提供有用信息。

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