肌动蛋白结构及生物学功能的研究进展

刘 妍，潘 丽，秦贵信

（吉林农业大学动物科学技术学院，长春动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，吉林省动物营养与饲料科学吉林省重点实验室，吉林长春 130118）

肌动蛋白（Actin）广泛分布于生物界，存在于除线虫精子以外的几乎所有真核细胞中。肌动蛋白的结构与功能是否正常关系到机体组织器官生长发育的健康状况。研究证明，肌动蛋白在动物的消化道中有广泛分布，现已证实肌动蛋白与动物假性肠梗阻、动物胃肠的蠕动以及正常运行及肠道黏膜屏障的正常功能有关[1]。肌动蛋白对于肠道的正常运转有着重要作用，肌动蛋白功能丧失会导致肠道的变化和肠道功能异常[2]，因此，在细胞和分子水平研究肌动蛋白对动物消化道功能的影响，从而为动物营养的研究提供新策略起到重要作用。本文将近年关于肌动蛋白结构、装配动力学以及肌动蛋白对细胞的凋亡、迁移和增殖的影响进行论述。

1 肌动蛋白的结构

肌动蛋白是一类高度保守的蛋白质，分子量约为43 ku，一级序列由375～377 个氨基酸残基组成，进化过程中几乎没有变化。同时，在不同种属间，肌动蛋白的一级结构几乎没有变化，因此肌动蛋白结构被认为是最优的结构。细胞肌动蛋白以单体和聚合体形式存在于真核细胞内，其中单体小球又称为G-肌动蛋白（Globular Actin，G-actin）；多个G-肌动蛋白以双螺旋结构聚合形成纤维化肌动蛋白，称为F-肌动蛋白（Fibros Actin，F-actin），又称为微丝，是细胞骨架最主要的结构组分之一。2 种形式在一定生理条件下相互转换，并在细胞内保持平衡状态，参与细胞一系列的生理功能[3]。

1.1 G-肌动蛋白 G-肌动蛋白含有374 个氨基酸残基。扫描电子显微镜图像表明，G-肌动蛋白具有球状结构；通过X 射线显示G-肌动蛋白晶体结构：每个小球都是由裂缝分开的2 个叶片组成；当裂隙中含有ATP 时，G-肌动蛋白通过特异性位点结合ATP 和二价离子（主要是Mg2+），前者会被水解为ADP 和磷酸盐，是酶促催化反应的中心[4]。

根据拓扑学将G-肌动蛋白三级结构分为大小2 个区域，其中蛋白质的最大结构域在左边，最小结构域在右边。较小的结构域又分成2 个子域，即子域I（较低位置，残基1～32、70～144 和338～374）和子域II（较高位置，残基33～69），在子域I 内存在2 个非常接近的末端，其中，N-末端是以乙酰基化的天冬氨酸开始且高度酸性的末端，C-末端由苯丙氨酸形成碱性末端。较大的结构域也分为2 个，即子域III（较低的，残基145～180 和270～337）和子域IV（较高的，残基181～269），子域I 和III 的暴露区域被称为“倒钩”末端，而子域II 和IV 的暴露区域被称为“尖头”末端[5-6]。

同时G-肌动蛋白的超二级结构为五链β折叠[7]，具有暴露其ATP 结合位点的肌动蛋白亚基的末端称为“（-）末端”，另一端称为“（+）末端”。如图1 所示，G-肌动蛋白的带状模型中可以看到4 个亚结构域、N 末端、C 末端以及ATP 键的位置。该分子在（-）末端也称尖头端和（+）末端也称倒钩端，使用的放置按惯例定向[8]。

1.2 F-肌动蛋白 F-肌动蛋白具有纤维状结构，呈双链螺旋状，直径约为7 nm，螺距约为36 nm[9]。F-肌动蛋白是由单体肌动蛋白聚合形成，每个肌动蛋白单体被4个肌动蛋白单体包围[10]，通过一个单体上的“倒钩”末端和下一个单体的“尖头”末端之间的精确接触点连接[11]。由于所有微丝的亚基指向同一端，所以肌动蛋白聚合物被认为具有结构极性。在生理条件下，G-肌动蛋白（单体形式）需要通过结合ATP 这一必须过程转化为F-肌动蛋白（聚合物形式）[12]。

2 肌动蛋白的装配动力学

肌动蛋白的装配动力学就是G-肌动蛋白转化为F-肌动蛋白的聚合机理，也称为微丝的组装过程。肌动蛋白的聚合组装过程分别为成核期、延长期和平衡期[13]。在成核阶段，单体肌动蛋白形成二聚体后并不稳定，易被水解，当二聚体通过聚合后形成三聚体后，结构趋于稳定，即核心形成。进入延长期后，单体肌动蛋白快速从核心两端添加上去，逐渐形成肌动蛋白丝。当单体肌动蛋白添加一定数量后，微丝结合单体肌动蛋白的速度与解离的速度趋于平衡，即平衡期，此时微丝长度基本保持不变，同时为了阻止肌动蛋白单体继续聚合或解聚，微丝的正负端能够分别与不同的加帽蛋白结合，以保持微丝的稳定[14]。

在肌动蛋白聚合的过程中，胸腺素β4 和前纤维蛋白（Profilin）在保证组装过程的稳态中起重要作用。胸腺素β4 可以通过抑制丝切蛋白（Cofilin）活性，从而抑制微丝的解聚[15]。Profilin 为了维持细胞内肌动蛋白ATP 的数量，与肌动蛋白ADP 结合，并催化ADP 转化成ATP，促进肌动蛋白单体向添加到微丝的正极[16]。肌动蛋白的聚合也受肌动蛋白的浓度和离子浓度的影响，肌动蛋白单体在二价金属离子（Ca2+或Mg2+）浓度达到20 mmol/L 以上时开始聚合。聚合速度约与肌动蛋白浓度的立方呈正比。但是当肌动蛋白单体浓度不足时，即使二价金属离子（Ca2+或Mg2+）浓度达到20 mmol/L，肌动蛋白单体也不会聚合[17]。

在微丝正端，肌动蛋白单体与ATP 结合，亲和力较高导致肌动蛋白单体趋于聚合，从而使微丝不断延长；微丝负端肌动蛋白与ADP 结合，亲和力较低导致肌动蛋白多聚体趋解聚。在正常生理状态下，微丝的两端组装速度并不一样，正极比负极快5～10 倍[18]。当细胞中ATP 浓度达一定临界值时，会发生正极组装和负极去组装同时存在的现象，此现象被命名为“踏车现象”（Tread Milling）。

肌动蛋白聚合物强壮又充满活力，相较DNA 等聚合物通过共价键结合在一起不同，肌动蛋白丝的单体通过较弱的键结合在一起，但弱键的优点是微丝末端可以相对容易地释放或加入单体[19]，这意味着微丝可以快速重塑，且可以响应环境刺激而改变细胞结构，这种生化机制被称为“装配动态”[20]。

3 肌动蛋白的功能

肌动蛋白形成的微丝（F-肌动蛋白）是真核细胞骨架重要组成部分。在绝大多数真核细胞中，F-肌动蛋白形成大规模的网络结构，这种结构对于细胞器的运动、形状提供机械支持，并提供通过细胞质运输的转导信号等诸多功能[21]，然而肌动蛋白在真核细胞中作用不仅限于此，它对细胞的凋亡、迁移和增殖等生物学功能也有着重要的影响[22]。

3.1 肌动蛋白对细胞凋亡的调控 在细胞凋亡中，白细胞介素-1β转化酶（Interleukin-1β-Converting Enzyme，ICE）及其相关蛋白构成ICE 家族是最重要的效应分子之一，按其被发现的先后，命名为半胱天冬酶1-12（caspase 1-12），在细胞凋亡期间，肌动蛋白丝是半胱天冬酶（caspases）作用的底物[23]。有研究指出，ICE 蛋白酶家族的caspase-3 在体内将肌动蛋白丝降解为2 个分子量较小的片段；其中一个片段为15 ku，另一个片段为31 ku，且2 个片段不能重新聚合，这一过程破坏细胞活力最终导致细胞凋亡[24]。肌动蛋白的蛋白水解与DNA 的降解是细胞凋亡的另一个特征因素。研究发现，钙蛋白酶参与这种机制，钙蛋白酶抑制剂处理可以减少肌动蛋白的蛋白水解与DNA 的降解，从而减少细胞的凋亡[25]。

Fang 等[26]在体外模拟的心肌缺血/再灌注损伤时发现，肌球蛋白IIA 从近膜区域转移到细胞质，与肌动蛋白丝相互作用，形成应力纤维并产生收缩力；用肌球蛋白II 抑制剂治疗减弱了肌球蛋白IIA-肌动蛋白复合物诱导的肌动球蛋白收缩性，并通过抑制caspase-3 表达，来减少心肌细胞的凋亡。在CryAB（是一种小的热休克蛋白）表达量影响H9C2 细胞（心肌细胞系）抵抗热应激的研究表明，CryAB 的过表达显著减少了热应激引起的F-actin 在H9C2 细胞中的聚集，通过减少F-actin 聚集，从而稳定细胞骨架，并调节细胞周期，防止caspase 介导的细胞凋亡[27]。

3.2 肌动蛋白对细胞迁移的调控 一般来说，细胞迁移时细胞膜延伸并探索环境，如果环境适宜细胞会向前移动，此时细胞会受环境效应和细胞外基质中粘附蛋白的作用下，使细胞前部形成板状脂质体突起，在这个过程中肌动蛋白经历动态的组装和去组装，从而调节突起的形成。在肌动蛋白细胞骨架蛋白调控细胞骨架动力装置下，给予细胞一定的驱动力，同时黏附作用提供的锚定力与动力装置给予细胞的驱动力协调运作，使整个细胞体向前移动[28-30]。

Yang 等[31]在缺氧诱导人主动脉血管平滑肌细胞（Human Aortic Vascular Smooth Muscle Cells，HAVSMC）的试验中，发现骨形态发生蛋白2（Bone Morphogenetic Protein 2，BMP-2）在缺氧培养过程中抑制F-肌动蛋白的解聚，导致细胞骨架中肌动蛋白减少，从而影响血管平滑肌细胞（Vascular Smooth Muscle Cell，VSMC）的运动和迁移行为。还有研究指出，肌动蛋白通过组装和去组装可以促进β-连环蛋白（β-Catenin）在平滑肌中向N-钙粘蛋白（N-Cadherin）结合，从而加强钙粘蛋白介导细胞之间的连接，促进细胞之间黏附、细胞迁移和细胞的发育[32-33]。

3.3 肌动蛋白对细胞增殖的调控 细胞以分裂的方式进行增殖，是生物体活细胞重要的生理功能之一。有丝分裂是真核生物最普遍的增殖方式。有丝分裂末期，2 个即将分离的子细胞产生收缩环，收缩环是由大量平行排列但具有不同极性的肌动蛋白丝组成，当收缩环慢慢收缩，单体细胞分离成2 个子细胞，动物细胞和酵母细胞分裂通常以这种方式进行分裂[34]。其中，在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中，收缩环一旦形成，它的结构在肌动蛋白相关蛋白（Actin Related Proteins 2 and 3，Arp2/3）的复合物和形成蛋白（formins）辅助下通过连续组装和拆卸维持，这个过程是胞质分裂核心过程之一[35]。收缩环、纺锤体、微管和致密外围物质一起被称为“弗莱明体”或“中间体”[36]。

Shen 等[37]研究发现，α-平滑肌肌动蛋白（Alpha-Smooth Muscle Actin，α-SMA）是整个动脉系统的VSMC收缩装置的主要组成部分，MicroRNA-27a（miR-27a）对于调节血管紧张素II(Angiotensin II，Ang II)诱导的增殖和迁移中起关键作用；且Ang II 会上调miR-27a水平，直接抑制α-SMA 表达，从而导致VSMC 的增殖和迁移增强。肌动蛋白相关蛋白2/3 复合体5（Actin Related Protein 2/3 Complex Subunit 5，Arpc5）是Arp2/3 家族的一员。Moriya 等[38]研究发现，肺鳞状细胞癌（Lung squamous cell carcinoma，Lung SCC）的miR-133a表达量与正常组织相比显著降低，而转染miR-133a时可以明显抑制Arpc5 的基因表达，并且研究表明Arpc5 基因沉默可以显著降低肺癌细胞系P10 细胞的增殖。

4 结语

近年来，通过采用细胞生物学的相关技术，研究者对肌动蛋白的相关特性展开了越来越多的研究，同时证明了肌动蛋白在细胞生命过程中的重要性。肌动蛋白的结构功能正常与否关系到机体组织器官生长发育的健康状况。目前，肌动蛋白结构、功能及其与细胞内组分的相互关系已有了很多的研究，但关于肌动蛋白在动物营养和疾病中的应用仍需要结合新技术新方法进一步探究。肌动蛋白在肿瘤细胞转移中的作用、肌动蛋白连接复合物及其介导的信号传导通路研究成为目前研究的趋势，为揭示细胞生长和肿瘤发生等分子生物学重要活动机理奠定基础。