肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能的研究進(jìn)展

劉 妍，潘 麗，秦貴信

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春動(dòng)物生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林省動(dòng)物營養(yǎng)與飼料科學(xué)吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130118）

肌動(dòng)蛋白（Actin）廣泛分布于生物界，存在于除線蟲精子以外的幾乎所有真核細(xì)胞中。肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)與功能是否正常關(guān)系到機(jī)體組織器官生長發(fā)育的健康狀況。研究證明，肌動(dòng)蛋白在動(dòng)物的消化道中有廣泛分布，現(xiàn)已證實(shí)肌動(dòng)蛋白與動(dòng)物假性腸梗阻、動(dòng)物胃腸的蠕動(dòng)以及正常運(yùn)行及腸道黏膜屏障的正常功能有關(guān)[1]。肌動(dòng)蛋白對于腸道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要作用，肌動(dòng)蛋白功能喪失會(huì)導(dǎo)致腸道的變化和腸道功能異常[2]，因此，在細(xì)胞和分子水平研究肌動(dòng)蛋白對動(dòng)物消化道功能的影響，從而為動(dòng)物營養(yǎng)的研究提供新策略起到重要作用。本文將近年關(guān)于肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)、裝配動(dòng)力學(xué)以及肌動(dòng)蛋白對細(xì)胞的凋亡、遷移和增殖的影響進(jìn)行論述。

1 肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)

肌動(dòng)蛋白是一類高度保守的蛋白質(zhì)，分子量約為43 ku，一級序列由375～377 個(gè)氨基酸殘基組成，進(jìn)化過程中幾乎沒有變化。同時(shí)，在不同種屬間，肌動(dòng)蛋白的一級結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化，因此肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞肌動(dòng)蛋白以單體和聚合體形式存在于真核細(xì)胞內(nèi)，其中單體小球又稱為G-肌動(dòng)蛋白（Globular Actin，G-actin）；多個(gè)G-肌動(dòng)蛋白以雙螺旋結(jié)構(gòu)聚合形成纖維化肌動(dòng)蛋白，稱為F-肌動(dòng)蛋白（Fibros Actin，F(xiàn)-actin），又稱為微絲，是細(xì)胞骨架最主要的結(jié)構(gòu)組分之一。2 種形式在一定生理?xiàng)l件下相互轉(zhuǎn)換，并在細(xì)胞內(nèi)保持平衡狀態(tài)，參與細(xì)胞一系列的生理功能[3]。

1.1 G-肌動(dòng)蛋白 G-肌動(dòng)蛋白含有374 個(gè)氨基酸殘基。掃描電子顯微鏡圖像表明，G-肌動(dòng)蛋白具有球狀結(jié)構(gòu)；通過X 射線顯示G-肌動(dòng)蛋白晶體結(jié)構(gòu)：每個(gè)小球都是由裂縫分開的2 個(gè)葉片組成；當(dāng)裂隙中含有ATP 時(shí)，G-肌動(dòng)蛋白通過特異性位點(diǎn)結(jié)合ATP 和二價(jià)離子（主要是Mg2+），前者會(huì)被水解為ADP 和磷酸鹽，是酶促催化反應(yīng)的中心[4]。

根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)將G-肌動(dòng)蛋白三級結(jié)構(gòu)分為大小2 個(gè)區(qū)域，其中蛋白質(zhì)的最大結(jié)構(gòu)域在左邊，最小結(jié)構(gòu)域在右邊。較小的結(jié)構(gòu)域又分成2 個(gè)子域，即子域I（較低位置，殘基1～32、70～144 和338～374）和子域II（較高位置，殘基33～69），在子域I 內(nèi)存在2 個(gè)非常接近的末端，其中，N-末端是以乙酰基化的天冬氨酸開始且高度酸性的末端，C-末端由苯丙氨酸形成堿性末端。較大的結(jié)構(gòu)域也分為2 個(gè)，即子域III（較低的，殘基145～180 和270～337）和子域IV（較高的，殘基181～269），子域I 和III 的暴露區(qū)域被稱為“倒鉤”末端，而子域II 和IV 的暴露區(qū)域被稱為“尖頭”末端[5-6]。

同時(shí)G-肌動(dòng)蛋白的超二級結(jié)構(gòu)為五鏈β折疊[7]，具有暴露其ATP 結(jié)合位點(diǎn)的肌動(dòng)蛋白亞基的末端稱為“（-）末端”，另一端稱為“（+）末端”。如圖1 所示，G-肌動(dòng)蛋白的帶狀模型中可以看到4 個(gè)亞結(jié)構(gòu)域、N 末端、C 末端以及ATP 鍵的位置。該分子在（-）末端也稱尖頭端和（+）末端也稱倒鉤端，使用的放置按慣例定向[8]。

1.2 F-肌動(dòng)蛋白 F-肌動(dòng)蛋白具有纖維狀結(jié)構(gòu)，呈雙鏈螺旋狀，直徑約為7 nm，螺距約為36 nm[9]。F-肌動(dòng)蛋白是由單體肌動(dòng)蛋白聚合形成，每個(gè)肌動(dòng)蛋白單體被4個(gè)肌動(dòng)蛋白單體包圍[10]，通過一個(gè)單體上的“倒鉤”末端和下一個(gè)單體的“尖頭”末端之間的精確接觸點(diǎn)連接[11]。由于所有微絲的亞基指向同一端，所以肌動(dòng)蛋白聚合物被認(rèn)為具有結(jié)構(gòu)極性。在生理?xiàng)l件下，G-肌動(dòng)蛋白（單體形式）需要通過結(jié)合ATP 這一必須過程轉(zhuǎn)化為F-肌動(dòng)蛋白（聚合物形式）[12]。

2 肌動(dòng)蛋白的裝配動(dòng)力學(xué)

肌動(dòng)蛋白的裝配動(dòng)力學(xué)就是G-肌動(dòng)蛋白轉(zhuǎn)化為F-肌動(dòng)蛋白的聚合機(jī)理，也稱為微絲的組裝過程。肌動(dòng)蛋白的聚合組裝過程分別為成核期、延長期和平衡期[13]。在成核階段，單體肌動(dòng)蛋白形成二聚體后并不穩(wěn)定，易被水解，當(dāng)二聚體通過聚合后形成三聚體后，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，即核心形成。進(jìn)入延長期后，單體肌動(dòng)蛋白快速從核心兩端添加上去，逐漸形成肌動(dòng)蛋白絲。當(dāng)單體肌動(dòng)蛋白添加一定數(shù)量后，微絲結(jié)合單體肌動(dòng)蛋白的速度與解離的速度趨于平衡，即平衡期，此時(shí)微絲長度基本保持不變，同時(shí)為了阻止肌動(dòng)蛋白單體繼續(xù)聚合或解聚，微絲的正負(fù)端能夠分別與不同的加帽蛋白結(jié)合，以保持微絲的穩(wěn)定[14]。

在肌動(dòng)蛋白聚合的過程中，胸腺素β4 和前纖維蛋白（Profilin）在保證組裝過程的穩(wěn)態(tài)中起重要作用。胸腺素β4 可以通過抑制絲切蛋白（Cofilin）活性，從而抑制微絲的解聚[15]。Profilin 為了維持細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白ATP 的數(shù)量，與肌動(dòng)蛋白ADP 結(jié)合，并催化ADP 轉(zhuǎn)化成ATP，促進(jìn)肌動(dòng)蛋白單體向添加到微絲的正極[16]。肌動(dòng)蛋白的聚合也受肌動(dòng)蛋白的濃度和離子濃度的影響，肌動(dòng)蛋白單體在二價(jià)金屬離子（Ca2+或Mg2+）濃度達(dá)到20 mmol/L 以上時(shí)開始聚合。聚合速度約與肌動(dòng)蛋白濃度的立方呈正比。但是當(dāng)肌動(dòng)蛋白單體濃度不足時(shí)，即使二價(jià)金屬離子（Ca2+或Mg2+）濃度達(dá)到20 mmol/L，肌動(dòng)蛋白單體也不會(huì)聚合[17]。

在微絲正端，肌動(dòng)蛋白單體與ATP 結(jié)合，親和力較高導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白單體趨于聚合，從而使微絲不斷延長；微絲負(fù)端肌動(dòng)蛋白與ADP 結(jié)合，親和力較低導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白多聚體趨解聚。在正常生理狀態(tài)下，微絲的兩端組裝速度并不一樣，正極比負(fù)極快5～10 倍[18]。當(dāng)細(xì)胞中ATP 濃度達(dá)一定臨界值時(shí)，會(huì)發(fā)生正極組裝和負(fù)極去組裝同時(shí)存在的現(xiàn)象，此現(xiàn)象被命名為“踏車現(xiàn)象”（Tread Milling）。

肌動(dòng)蛋白聚合物強(qiáng)壯又充滿活力，相較DNA 等聚合物通過共價(jià)鍵結(jié)合在一起不同，肌動(dòng)蛋白絲的單體通過較弱的鍵結(jié)合在一起，但弱鍵的優(yōu)點(diǎn)是微絲末端可以相對容易地釋放或加入單體[19]，這意味著微絲可以快速重塑，且可以響應(yīng)環(huán)境刺激而改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這種生化機(jī)制被稱為“裝配動(dòng)態(tài)”[20]。

3 肌動(dòng)蛋白的功能

肌動(dòng)蛋白形成的微絲（F-肌動(dòng)蛋白）是真核細(xì)胞骨架重要組成部分。在絕大多數(shù)真核細(xì)胞中，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白形成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對于細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)、形狀提供機(jī)械支持，并提供通過細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)導(dǎo)信號等諸多功能[21]，然而肌動(dòng)蛋白在真核細(xì)胞中作用不僅限于此，它對細(xì)胞的凋亡、遷移和增殖等生物學(xué)功能也有著重要的影響[22]。

3.1 肌動(dòng)蛋白對細(xì)胞凋亡的調(diào)控 在細(xì)胞凋亡中，白細(xì)胞介素-1β轉(zhuǎn)化酶（Interleukin-1β-Converting Enzyme，ICE）及其相關(guān)蛋白構(gòu)成ICE 家族是最重要的效應(yīng)分子之一，按其被發(fā)現(xiàn)的先后，命名為半胱天冬酶1-12（caspase 1-12），在細(xì)胞凋亡期間，肌動(dòng)蛋白絲是半胱天冬酶（caspases）作用的底物[23]。有研究指出，ICE 蛋白酶家族的caspase-3 在體內(nèi)將肌動(dòng)蛋白絲降解為2 個(gè)分子量較小的片段；其中一個(gè)片段為15 ku，另一個(gè)片段為31 ku，且2 個(gè)片段不能重新聚合，這一過程破壞細(xì)胞活力最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[24]。肌動(dòng)蛋白的蛋白水解與DNA 的降解是細(xì)胞凋亡的另一個(gè)特征因素。研究發(fā)現(xiàn)，鈣蛋白酶參與這種機(jī)制，鈣蛋白酶抑制劑處理可以減少肌動(dòng)蛋白的蛋白水解與DNA 的降解，從而減少細(xì)胞的凋亡[25]。

Fang 等[26]在體外模擬的心肌缺血/再灌注損傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，肌球蛋白IIA 從近膜區(qū)域轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，與肌動(dòng)蛋白絲相互作用，形成應(yīng)力纖維并產(chǎn)生收縮力；用肌球蛋白II 抑制劑治療減弱了肌球蛋白IIA-肌動(dòng)蛋白復(fù)合物誘導(dǎo)的肌動(dòng)球蛋白收縮性，并通過抑制caspase-3 表達(dá)，來減少心肌細(xì)胞的凋亡。在CryAB（是一種小的熱休克蛋白）表達(dá)量影響H9C2 細(xì)胞（心肌細(xì)胞系）抵抗熱應(yīng)激的研究表明，CryAB 的過表達(dá)顯著減少了熱應(yīng)激引起的F-actin 在H9C2 細(xì)胞中的聚集，通過減少F-actin 聚集，從而穩(wěn)定細(xì)胞骨架，并調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，防止caspase 介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[27]。

3.2 肌動(dòng)蛋白對細(xì)胞遷移的調(diào)控 一般來說，細(xì)胞遷移時(shí)細(xì)胞膜延伸并探索環(huán)境，如果環(huán)境適宜細(xì)胞會(huì)向前移動(dòng)，此時(shí)細(xì)胞會(huì)受環(huán)境效應(yīng)和細(xì)胞外基質(zhì)中粘附蛋白的作用下，使細(xì)胞前部形成板狀脂質(zhì)體突起，在這個(gè)過程中肌動(dòng)蛋白經(jīng)歷動(dòng)態(tài)的組裝和去組裝，從而調(diào)節(jié)突起的形成。在肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白調(diào)控細(xì)胞骨架動(dòng)力裝置下，給予細(xì)胞一定的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)黏附作用提供的錨定力與動(dòng)力裝置給予細(xì)胞的驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)運(yùn)作，使整個(gè)細(xì)胞體向前移動(dòng)[28-30]。

Yang 等[31]在缺氧誘導(dǎo)人主動(dòng)脈血管平滑肌細(xì)胞（Human Aortic Vascular Smooth Muscle Cells，HAVSMC）的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（Bone Morphogenetic Protein 2，BMP-2）在缺氧培養(yǎng)過程中抑制F-肌動(dòng)蛋白的解聚，導(dǎo)致細(xì)胞骨架中肌動(dòng)蛋白減少，從而影響血管平滑肌細(xì)胞（Vascular Smooth Muscle Cell，VSMC）的運(yùn)動(dòng)和遷移行為。還有研究指出，肌動(dòng)蛋白通過組裝和去組裝可以促進(jìn)β-連環(huán)蛋白（β-Catenin）在平滑肌中向N-鈣粘蛋白（N-Cadherin）結(jié)合，從而加強(qiáng)鈣粘蛋白介導(dǎo)細(xì)胞之間的連接，促進(jìn)細(xì)胞之間黏附、細(xì)胞遷移和細(xì)胞的發(fā)育[32-33]。

3.3 肌動(dòng)蛋白對細(xì)胞增殖的調(diào)控 細(xì)胞以分裂的方式進(jìn)行增殖，是生物體活細(xì)胞重要的生理功能之一。有絲分裂是真核生物最普遍的增殖方式。有絲分裂末期，2 個(gè)即將分離的子細(xì)胞產(chǎn)生收縮環(huán)，收縮環(huán)是由大量平行排列但具有不同極性的肌動(dòng)蛋白絲組成，當(dāng)收縮環(huán)慢慢收縮，單體細(xì)胞分離成2 個(gè)子細(xì)胞，動(dòng)物細(xì)胞和酵母細(xì)胞分裂通常以這種方式進(jìn)行分裂[34]。其中，在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中，收縮環(huán)一旦形成，它的結(jié)構(gòu)在肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白（Actin Related Proteins 2 and 3，Arp2/3）的復(fù)合物和形成蛋白（formins）輔助下通過連續(xù)組裝和拆卸維持，這個(gè)過程是胞質(zhì)分裂核心過程之一[35]。收縮環(huán)、紡錘體、微管和致密外圍物質(zhì)一起被稱為“弗萊明體”或“中間體”[36]。

Shen 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，α-平滑肌肌動(dòng)蛋白（Alpha-Smooth Muscle Actin，α-SMA）是整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)的VSMC收縮裝置的主要組成部分，MicroRNA-27a（miR-27a）對于調(diào)節(jié)血管緊張素II(Angiotensin II，Ang II)誘導(dǎo)的增殖和遷移中起關(guān)鍵作用；且Ang II 會(huì)上調(diào)miR-27a水平，直接抑制α-SMA 表達(dá)，從而導(dǎo)致VSMC 的增殖和遷移增強(qiáng)。肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白2/3 復(fù)合體5（Actin Related Protein 2/3 Complex Subunit 5，Arpc5）是Arp2/3 家族的一員。Moriya 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，肺鱗狀細(xì)胞癌（Lung squamous cell carcinoma，Lung SCC）的miR-133a表達(dá)量與正常組織相比顯著降低，而轉(zhuǎn)染miR-133a時(shí)可以明顯抑制Arpc5 的基因表達(dá)，并且研究表明Arpc5 基因沉默可以顯著降低肺癌細(xì)胞系P10 細(xì)胞的增殖。

4 結(jié)語

近年來，通過采用細(xì)胞生物學(xué)的相關(guān)技術(shù)，研究者對肌動(dòng)蛋白的相關(guān)特性展開了越來越多的研究，同時(shí)證明了肌動(dòng)蛋白在細(xì)胞生命過程中的重要性。肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)功能正常與否關(guān)系到機(jī)體組織器官生長發(fā)育的健康狀況。目前，肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)、功能及其與細(xì)胞內(nèi)組分的相互關(guān)系已有了很多的研究，但關(guān)于肌動(dòng)蛋白在動(dòng)物營養(yǎng)和疾病中的應(yīng)用仍需要結(jié)合新技術(shù)新方法進(jìn)一步探究。肌動(dòng)蛋白在腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移中的作用、肌動(dòng)蛋白連接復(fù)合物及其介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路研究成為目前研究的趨勢，為揭示細(xì)胞生長和腫瘤發(fā)生等分子生物學(xué)重要活動(dòng)機(jī)理奠定基礎(chǔ)。