驅動蛋白

驅動蛋白於微管上運動的動畫

微管上的驅動蛋白

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可以沿着微管的+運動，而另一些驅動蛋白則沿着-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氨基酸殘基，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着分子馬達，它們是ATP酶，靠着細胞骨架（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着》（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着與之同源的蛋白質。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。接着，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，它們是同一套語言設計而成的。

結構

褐家鼠（Rattus norvegicus）腦部驅動蛋白單體x射線空間示意圖

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）雖然迴響着不同的方向運動，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

驅動蛋白的運動

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，在微管上朝着其+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