第十六章 细胞骨架
为了使细胞正常运作，它们必须在空间中组织自己，并相互之间以及与环境进行机械交互。它们必须形状笔直、物理坚固且内部结构合理。许多细胞不得不改变他们的形状，从一个地方搬到另一个地方。所有细胞都必须能够在生长、分裂和适应不断变化的环境时重新排列其内部成分。这些空间和机械功能取决于称为细胞骨架的非凡细丝系统（图 16-1）。
细胞骨架的不同功能取决于蛋白质丝的三个主要家族的行为——肌动蛋白丝、微管和中间丝。每种类型的细丝都有不同的机械性能、动力学和生物作用，但都有某些共同的基本特征。正如我们需要韧带、骨骼和肌肉协同工作一样，所有三个细胞骨架系统通常必须共同发挥作用，以赋予细胞力量、形状以及分裂和移动的能力。
在本章中，我们描述了细胞丝系统的功能和进化保守性。我们解释了细丝组装和拆卸的基本原理，以及其他蛋白质如何与细丝相互作用以改变其动力学并指导其组织。最后，我们讨论了细胞骨架系统如何与其他细胞成分协同工作以产生细胞极性，这对于细胞行为和功能的许多方面都至关重要。
细胞骨架的功能和动力学
三种主要的细胞骨架丝负责细胞空间组织和机械特性的不同方面。
肌动蛋白丝决定细胞表面的形状，是全细胞运动所必需的;它们还会将一个细胞捏成两个细胞。
微管决定细胞器的位置，指导细胞内运输，并形成在细胞分裂过程中分离染色体的有丝分裂纺锤体。
中间细丝提供机械强度。
所有这些细胞骨架丝都与数百种辅助蛋白相互作用，这些辅助蛋白调节并将细丝与其他细胞成分以及彼此连接起来。辅助蛋白对于细胞骨架丝在特定位置的受控组装至关重要，它们包括运动蛋白，这是一种非凡的分子机器，可将 ATP 水解的能量转化为机械力，可以沿细胞丝移动或移动细丝本身。在本章的这一部分，我们讨论了构成细胞骨架细丝的蛋白质的一般特征。我们关注它们形成高度动态的固有极化和自组织结构的能力，使细胞能够在条件发生变化时快速改变细胞骨架结构和功能。
细胞骨架丝是动态的，但仍然可以形成稳定的结构
细胞骨架系统是动态的和适应性强的，更像蚂蚁的足迹，而不是州际公路。一条蚂蚁的足迹可能会持续数小时，从蚂蚁巢延伸到美味的野餐地点，但小径内的单只蚂蚁绝不是静态的。如果蚂蚁侦察兵找到了新的、更好的食物来源，或者如果野餐者清理干净后离开，动态结构就会以惊人的速度适应。以类似的方式，大规模的细胞骨架结构可以根据需要改变或持续，持续时间从不到一分钟到细胞的寿命不等。但是构成这些结构的各个大分子成分处于恒定的通量状态。因此，就像蚂蚁足迹的改变一样，当条件发生变化时，细胞中的结构重排几乎不需要额外的能量。
对细胞骨架丝的动态行为和组装的调节使真核细胞能够从三个基本丝系统构建大量结构。面板 16-1 中的显微照片说明了其中一些结构。肌动蛋白丝位于动物细胞质膜的一层（称为细胞皮层）之下，为薄脂质双层提供强度和形状。它们还形成多种类型的细胞表面突起。其中一些是动态结构，例如细胞用来探索区域和四处移动的filopodia, lamellipodia, and pseudopodia。更稳定的阵列使细胞能够支撑自己对抗底层并使肌肉收缩。内耳毛细胞表面的规则立体纤毛束包含稳定的肌动蛋白丝束，这些丝束会响应声音而像刚性棒一样倾斜，肠上皮细胞表面的微绒毛大大增加了顶端细胞表面积，以增强营养吸收。在植物中，肌动蛋白丝驱动细胞质在细胞内的快速流动。
微管经常出现在延伸到细胞外围的细胞质阵列中，在细胞分裂过程中可以迅速重新排列以形成双极有丝分裂纺锤体。它们还可以形成纤毛，纤毛在细胞表面起到运动鞭子或感觉装置的作用，或者紧密排列的束，作为物质沿着长神经元轴突运输的轨道。在植物细胞中，有组织的微管阵列有助于指导细胞壁同义论的模式，在许多原生动物中，它们形成了构建整个细胞的框架。
中间丝排列在核膜的内表面，为细胞的 DNA 形成一个保护笼;在胞质溶胶中，它们被扭曲成坚固的电缆，可以将上皮细胞片固定在一起或帮助神经细胞延长长而强壮的轴突，它们使我们能够形成坚韧的附属物，例如头发和指甲。
细胞骨架快速重组的一个重要而引人注目的例子发生在细胞分裂过程中，如图 16-2 所示，在组织培养皿中生长的成纤维细胞。染色体复制后，扩散到整个细胞质的间期微管阵列被侦察到双极有丝分裂纺锤体中，该纺锤体将每条染色体的两个拷贝转移到单独的子核中。同时，使成纤维细胞能够在培养皿表面爬行的特殊肌动蛋白结构重新排列，使细胞停止移动并呈现出更球形的形状。然后，肌动蛋白及其相关的运动蛋白肌球蛋白在细胞中间形成一条带，即收缩环，它像一块细小的肌肉一样收缩，将细胞一分为二。当分裂完成时，两个子成纤维细胞的细胞骨架重建它们的间期结构，从而将两个圆润的子细胞转化为扁平、爬行的母细胞的较小版本。
许多细胞在间期也需要快速的细胞骨架重排才能发挥其正常功能。例如，中性粒细胞（一种白细胞）会追逐并吞噬意外进入身体的细菌和真菌细胞，例如通过皮肤上的切口。像大多数爬行细胞一样，中性粒细胞通过扩展与新聚合的肌动蛋白丝形成的突出结构来前进。当难以捉摸的细菌猎物向不同的方向移动时，嗜中性粒细胞可以在几秒钟内重组其极化的突出结构（图 16-3）。
细胞骨架决定细胞组织和极性
在已实现稳定分化形态的细胞（如成熟神经元或上皮细胞）中，细胞骨架的动态元件为细胞组织产生稳定的大规模结构。例如，在肠道和肺等器官的特化上皮细胞上，基于细胞骨架的细胞表面突起（包括微绒毛和纤毛）能够在细胞的整个生命周期内保持恒定的位置、长度和直径。对于肠上皮细胞上微绒毛核心的肌动蛋白束，这只有几天。但是内耳毛细胞上的立体纤毛必须在动物的整个生命周期内保持稳定的组织结构，因为这些细胞不会替换。值得注意的是，立体纤毛中的肌动蛋白丝非常稳定，仅在其尖端观察到多聚体化和解聚。我们不了解这些肌动蛋白结构是如何在几十年内保持恒定长度的。
除了形成稳定、特化的细胞表面突起外，细胞骨架还负责大规模的细胞极性，使细胞能够分辨顶部和底部或前后之间的区别。细胞骨架组织传递的极性信息通常在细胞的整个生命周期中保持不变。例如，极化上皮细胞使用有组织的微管、肌动蛋白丝和中间丝阵列来维持顶端表面和基底外侧表面之间的关键差异。它们还必须彼此保持牢固的粘合接触，以使这层细胞能够作为有效的物理屏障（图 16-4）。本章的最后一部分讨论了如何建立细胞极性。
细丝由赋予特定物理和动态特性的蛋白质亚基组装而成
细胞骨架细丝可以从细胞的一端到达另一端，跨越数十甚至数百微米。然而，形成细丝的单个蛋白质分子只有几纳米大小。该细胞通过组装大量小亚基来构建细丝，就像用砖块建造摩天大楼一样。因为这些亚基很小，所以它们可以在胞质溶胶中迅速扩散，而组装的细丝则不能。通过这种方式，细胞可以进行快速的结构重组，在一个位点分解细丝，然后在另一个遥远的位点重新组装它们。
肌动蛋白丝和微管由小小的球状亚基构成——肌动蛋白丝的肌动蛋白亚基和微管的微管蛋白亚基——而中间丝由本身细长且呈纤维状的亚基组成。所有三种主要类型的细胞骨架都使用端到端和侧对侧蛋白质接触的组合形成自缔合的亚基的聚合物组装。虽然许多生物聚合物（包括 DNA、RNA 和蛋白质）的骨架结合在一起是依赖共价键的作用，但将三种类型的细胞骨架聚合物结合在一起的是弱的非共价相互作用。由于共价键没有形成或断裂，因此组装和拆卸会迅速发生。亚基结构的差异以及它们如何相互结合，对每种细丝的稳定性和机械性能产生重要差异。
肌动蛋白丝和微管的亚基是不对称的，并且从头到尾相互结合，因此它们都具有方向。这种亚基极性使细丝沿其长度具有结构极性，并使每种聚合物的两端表现不同。此外，肌动蛋白和微管蛋白亚基是分别催化核苷三磷酸 （NTP） — ATP 和 GTP 水解的酶。正如我们稍后讨论的那样，NTP 水解产生的能量有助于细丝快速重塑。它允许细胞利用这些丝的极性和动态特性在特定方向上产生力，例如，将迁移细胞的前缘向前移动，或在细胞分裂过程中将染色体拉开。相反，中间丝的亚基是对称的，因此不会形成具有两个不同末端的极化丝。中间丝亚基也不催化 ATP 或 GTP 的水解。然而，中间长丝可以在需要时快速拆卸。例如，在有丝分裂中，激酶磷酸化中间丝的亚基，导致它们解离。
活细胞中的细胞骨架丝不是简单地将亚基串成一个文件来构建的。例如，一千个首尾相连的微管蛋白亚基将跨越一个小真核细胞的直径，但以这种方式形成的细丝将缺乏避免被环境能量断裂的强度，除非细丝中的每个亚基都非常紧密地结合在其两个相邻的亚基上。这种紧密的结合会限制细丝的分解速度，使细胞骨架成为静态的且不太有用的结构。
为了提供强度和适应性，微管由 13 根protofilaments(首尾相连的线性亚基串）构成，它们彼此横向结合形成一个空心圆柱体。在一个原丝末端添加或丢失一个亚基会形成或断开少量键。相比之下，从原丝中间丢失一个亚基需要断开更多的键，而将其一分为二需要同时断开多个原丝中的键（图 16-5）。同时破坏多个非共价键所需的更大能量使微管能够抵抗热断裂，同时允许在细丝末端快速添加和丢失亚基。虽然仅由 2 根链而不是 13 根链组成，但螺旋肌动蛋白丝亚基还可以进行端到端和侧对侧接触，从而在细丝末端实现快速动态，同时沿细丝长度提供足够的强度。然而，微管的管状几何形状使其比双链肌动蛋白丝硬得多。
与其他特异性蛋白质-蛋白质相互作用一样，许多疏水相互作用和非共价键将细胞骨架丝中的亚基固定在一起（参见图 3-4）。亚基-亚基接触的位置和类型因不同的细丝而异。例如，中间丝通过在α螺旋的卷曲螺旋之间形成牢固的横向接触来组装，这些线圈延伸到每个细长纤维亚基的大部分长度上。由于单个亚基在细丝中交错排列，因此中间细丝形成坚固的绳状结构，比肌动蛋白细丝或微管更能容忍拉伸和弯曲（图 16-6）。
辅助蛋白和马达作用于细胞骨架丝
细胞调节其细胞骨架丝的长度和稳定性、它们的数量和几何形状，以及它们彼此之间以及与细胞其他成分的附着。因此，细丝可以形成各种高阶结构。细丝亚基的直接共价修饰可调节一些细丝特性，但大部分调节由数百种辅助蛋白执行，这些辅助蛋白决定细丝的空间分布和动态行为，将通过信号通路接收的信息转化为细胞骨架作用。这些辅助蛋白与细丝或其亚基结合以确定新细丝的组装位点，调节细丝和亚基形式之间聚合物蛋白的分配，从而改变细丝组装和拆卸的动力学，利用能量产生力，并将细丝彼此连接或连接到其他细胞结构，如细胞器和质膜。在这些过程中，辅助蛋白使细胞骨架结构受到细胞外和细胞内信号的控制，包括触发每个细胞周期中发生的细胞骨架剧烈转变的信号。辅助蛋白成群作用，使细胞能够保持高度组织但灵活的内部结构，并且在许多情况下能够移动。
与细胞骨架相关的最迷人的蛋白质之一是马达蛋白。这些蛋白质与极化的细胞骨架丝结合，并利用 ATP 水解重复循环产生的能量沿着它移动。数十种不同的运动蛋白共存于每个真核细胞中。它们结合的细丝类型（肌动蛋白或微管）、沿细丝移动的方向以及它们携带的“货物”各不相同。许多运动蛋白将膜封闭的细胞器（如线粒体、高尔基体堆栈或分泌囊泡）运送到细胞中的适当位置。其他运动蛋白导致细胞骨架丝施加张力或相互滑动，从而产生驱动肌肉收缩、纤毛跳动和细胞分裂等现象的力量。
沿定向聚合物轨道单向移动的细胞骨架运动蛋白让人想起本书其他地方讨论的其他一些蛋白质和蛋白质复合物，例如 DNA 和 RNA 聚合酶、解旋酶和核糖体。所有这些蛋白质都具有利用化学能沿着线性轨道推动自身的能力，滑动方向取决于轨道的结构极性。它们都通过将核苷三磷酸水解与大规模构象变化偶联来产生运动（参见图 3-71）。
分子马达在以布朗运动为主的细胞环境中运行
由于细胞的微观尺寸，基于马达的运动发生在由于称为布朗运动的随机热波动而高度动态的环境中。如第 1 章所述（见第 9 页），布朗运动驱动细胞内所有分子的扩散，因此它对需要分子碰撞的生化反应的速率至关重要。另一个重要影响是它在小尺度上产生粘性阻力。例如，沿着细胞骨架丝移动的运动蛋白不断受到与水和其他分子的随机碰撞的冲击。一旦它的运动活动停止，由于这些碰撞产生的粘性阻力，运动蛋白就会停止在其轨道上。
任何物体在流体中移动的停止距离都由雷诺数决定，雷诺数是作用在该物体上的惯性力与粘性力的比值。该比率取决于物体的大小及其在流体中的移动速度。例如，虽然细菌和鱼都可以在水中推动自己，但鱼的大小和速度为它提供了很大的惯性，因此当它停止游泳时，它会继续在水中滑行一段距离。相比之下，由于其体积小得多且移动速度慢，停止自我推进的细菌将立即停止（图 16-7）。为了使鱼具有类似的行为，需要将其放置在非常粘稠的介质中，例如屋顶焦油。在细胞内部，由于粘性力远大于惯性力，因此移动分子的微小尺寸和缓慢速度导致雷诺数极低。因此，细胞内没有 “滑动”。
随机布朗运动也可用于控制小尺度的运动，即使在没有运动蛋白的情况下也是如此。正如我们在本章后面所描述的，一些细胞内病原体，如细菌：单胞增生李斯特菌 利用肌动蛋白聚合的力量在细胞内移动。这种运动不涉及运动蛋白。相反，肌动蛋白丝被诱导在一端与细菌表面相邻。当细菌随机由于布朗运动而向前移动，肌动蛋白迅速填充间隙，使细菌无法滑回其原始位置。通过这种方式，肌动蛋白聚合产生一股推动细菌穿过细胞质的力（参见图 16-17）。类似的过程驱动迁移动物细胞前缘的质膜向前移动（参见图 1-7）。这种现象，即以定向方式利用随机热运动，创造了一个布朗棘轮。
总结
真核细胞的细胞质在空间上由称为细胞骨架的蛋白质网络组织。该网络包含三种主要类型的 f-ilaments：肌动蛋白丝、微管和中间丝。所有三种类型的细丝都是由亚基组装体形成的，这些亚基使用端到端和侧对侧蛋白质接触的组合进行自缔合。亚基结构的差异及其自组装方式赋予了细丝不同的机械特性。亚基组装和拆卸不断重塑所有三种类型的细胞骨架丝。肌动蛋白和微管蛋白（分别为肌动蛋白丝和微管的亚基）结合和水解核苷三磷酸（分别为 ATP 和 GTP）并从头到尾组装以产生具有产生力的极化丝。在活细胞中，包括分子马达在内的辅助蛋白调节细胞骨架丝的动力学和组织，导致细胞分裂、迁移或肌肉收缩等复杂事件，并产生复杂的细胞结构以形成极化组织，例如上皮细胞。
肌动蛋白
肌动蛋白细胞骨架在多种细胞类型中发挥着广泛的功能。每个肌动蛋白亚基，有时称为球状或 G-肌动蛋白，是一种 375 个氨基酸的多肽，携带一个紧密结合的 ATP 或 ADP 分子（图 16-8A）。肌动蛋白在真核生物中非常保守。来自不同真核生物物种的肌动蛋白的氨基酸序列通常约为 90% 相同。肌动蛋白氨基酸序列的微小变化会导致显著的功能差异：例如，在脊椎动物中，有三种亚型的肌动蛋白，称为 α、β 和 γ，它们的氨基酸序列略有不同，具有不同的功能。α-肌动蛋白仅在肌肉细胞中表达，而 β-和 γ-肌动蛋白几乎一起存在于所有非肌肉细胞中。
肌动蛋白亚基从头到尾组装形成柔性的极性细丝
肌动蛋白亚基从头到尾组装形成一个紧密的右旋螺旋，形成一个约 8 nm 宽的结构，称为丝状或 F 肌动蛋白（图 16-8B 和 C）。因为细丝的不对称肌动蛋白亚基都指向同一方向，所以细丝是极性的，并且在结构上具有不同的末端：生长较慢的负端和生长较快的正端。负端也称为尖端pointed end，正端称为倒钩端barbed end，因为在电子显微照片中可见的肌动蛋白丝和运动蛋白肌球蛋白之间形成的复合物的箭头外观（图 16-9）。在细丝内，亚基位于 ATP 结合裂隙中，指向负端。
单个肌动蛋白丝非常灵活。细丝的刚度可以用它的persistence length来表征，即随机热波动可能导致其弯曲的最小细丝长度。肌动蛋白丝的持久性长度只有几十微米。然而，在活细胞中，辅助蛋白经常交联并将细丝捆绑在一起，从而形成比单个肌动蛋白细丝更坚硬的大规模肌动蛋白结构。
成核是肌动蛋白丝形成的限速步骤
肌动蛋白丝形成的调节是细胞控制其形状和运动的重要机制。肌动蛋白亚基可以自发地相互结合，但在亚基组装成初始寡聚体或核之前是不稳定的，其通过多个亚基-亚基接触稳定，然后可以通过添加更多亚基快速伸长。这个过程称为微丝成核。
肌动蛋白成核和聚合的许多特征已在试管中用纯化的肌动蛋白进行了研究（图 16-10）。较小肌动蛋白寡聚体的不稳定性使成核效率低下。当聚合开始时，这会导致滞后期，在此期间不会观察到细丝。然而，在这个滞后阶段，小的、不稳定的寡聚体逐渐成功地转变为更稳定的形式，类似于肌动蛋白丝。这导致细丝快速伸长阶段，在此期间，亚基迅速添加到有核细丝的末端（图 16-10A）。最后，随着肌动蛋白单体浓度的降低，系统接近稳定状态，在该状态下，新亚基添加到细丝末端的速率正好平衡亚基解离的速率。此时留在溶液中的游离亚基的浓度称为临界浓度 Cc。如面板 16–2 中所述，临界浓度值等于亚基损失的速率常数除以亚基添加的速率常数;即 Cc = koff/kon，它等于解离常数 Kd 和平衡常数的倒数 K（参见图 3-42）。在试管中，肌动蛋白聚合的 Cc（即聚合物中肌动蛋白分数停止增加的游离肌动蛋白单体浓度）约为 0.1 μM。在细胞内部，未聚合肌动蛋白的浓度远高于此，并且细胞已经进化出机械肌动蛋白以防止其大部分单体肌动蛋白组装成细丝，正如我们稍后讨论的那样。
如果在聚合反应开始时将预先存在的种子（例如肌动蛋白丝的片段）添加到溶液中，则消除了丝生长的滞后期（图 16-10B）。细胞充分利用了成核屏障：它使用特殊蛋白质在特定位点催化丝成核，从而确定新肌动蛋白丝组装的位置。
肌动蛋白丝有两个不同的末端，它们以不同的速度生长
由于丝中不对称肌动蛋白亚基的统一取向，其两端的结构不同。这种取向使每种聚合物的两端不同，从而对细丝生长速率产生深远影响。肌动蛋白亚基结合和解离的动力学速率常数（分别为 kon 和 koff）在正端比负端大得多。当允许过量的纯化肌动蛋白单体组装到极性标记的细丝上时，可以看到这一点——细丝的正端伸长速度提高了 10 倍（参见图 16-9）。如果快速稀释细丝，使游离亚基浓度降至临界浓度以下，则正端也会更快地解聚。
然而，重要的是要注意，如果所有亚基都与 ATP 或 ADP 结合，则肌动蛋白丝的两端对肌动蛋白亚基具有相同的净亲和力。在 n 个亚基的细丝的任一端添加一个亚基，得到 n + 1 个亚基的细丝。因此，在聚合物的两端添加亚基时，自由能差以及平衡常数（和临界浓度）必须相同。在这种情况下，速率常数的比率 koff/kon 在两端必须相同，即使这些速率常数的绝对值在每一端都非常不同（请参见面板 16-2）。
细胞利用肌动蛋白丝动力学和极性来做机械工作。当添加可溶性亚基的自由能变化 （∆G） 小于零时，细丝伸长会自发进行。当溶液中亚基的浓度超过临界浓度时，就会出现这种情况。细胞可以将能量上不利的过程与这个自发过程耦合;因此，细胞可以利用自发细丝聚合过程中释放的自由能来移动附加的负载。例如，通过将肌动蛋白丝的快速生长正端朝向其前缘，运动细胞可以将其质膜向前推，正如我们稍后讨论的那样。
肌动蛋白丝内的 ATP 水解导致稳态踏车
在我们讨论肌动蛋白丝动力学时，我们忽略了肌动蛋白可以催化核苷三磷酸 ATP 水解的关键事实。对于游离肌动蛋白亚基，这种水解进行得非常缓慢;然而，当亚基掺入细丝中时，它会加速。ATP 水解发生后不久，游离磷酸基团从每个亚基中释放出来，但 ADP 仍然被困在细丝结构中。因此，可以存在两种不同类型的细丝结构，一种是 ATP 结合的 T 形式，另一种是 ADP 结合的 D 形式。
当 ATP 水解时，磷酸-磷酸键的断裂作用释放的大部分自由能储存在聚合物中。这使得亚基从 D 型聚合物解离的自由能变化比亚基从T 型聚合物解离的自由能变化更负。因此，D 型聚合物的 koff/kon 比值（数值等于其临界浓度 [Cc（D）]）大于 T 型聚合物的相应比值。因此，Cc（D） 大于 Cc（T）。因此，在一定浓度的游离亚基下，D 型聚合物会收缩，而 T 型聚合物会生长。
在活细胞中，大多数可溶性肌动蛋白亚基为 T 形式，因为 ATP 的自由浓度比 ADP 高约 10 倍。然而，亚基在肌动蛋白丝中的时间越长，它们水解 ATP 的可能性就越大。细丝两端的亚基是 T 形式还是 D 形式取决于这种水解速率与亚基添加速率的比较。如果肌动蛋白单体的浓度都大于 T 型和 D 型聚合物的临界浓度，则亚基将在先前添加的亚基中的 ATP 被水解之前添加到聚合物的两端;因此，肌动蛋白丝的尖端将保持 T 形式。另一方面，如果亚基浓度低于 T 型和 D 型聚合物的临界浓度，则可能在添加下一个亚基之前发生水解，细丝的两端将呈 D 型并收缩。在中等浓度的肌动蛋白亚基下，亚基添加速率可能在正端比 ATP 水解快，但比负端的 ATP 水解慢。在这种情况下，细丝的正端保持 T 构象，而负端采用 D 构象。然后，细丝在正端经历亚基的净添加，同时从负端丢失亚基。这导致了细丝踏车的显着特性（图 16-11;参见面板 16-2）。
在特定的中间亚基浓度下，正端的细丝生长正好平衡了负端的细丝收缩。在这些条件下，亚基在游离状态和丝状状态之间快速循环，而细丝的总长度保持不变。这种稳态踏车需要以 ATP 水解的形式持续消耗能量。
微丝稳定药物和微丝解聚药物都能抑制微丝的功能
稳定或不稳定肌动蛋白丝的化合物是研究细胞中丝的动态行为和功能的重要工具。细胞松弛素是真菌产物，通过与肌动蛋白丝的正端结合来阻止肌动蛋白聚合。Latrunculin 通过与肌动蛋白亚基结合来阻止肌动蛋白聚合。鬼笔环肽是从鹅膏菌中分离出来的毒素，它们沿着肌动蛋白丝的侧面紧密结合并稳定它们防止解聚。所有这些化合物都会引起肌动蛋白细胞骨架的剧烈变化，并且对细胞有毒，这表明肌动蛋白的功能取决于细丝和肌动蛋白单聚体之间的动态平衡（表 16-1）。
| 作用对象 | 药物名称 | 作用效果 | 作用机制 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| 微丝 | Latrunculin | 解聚 | 结合亚基 | 海绵 |
| 微丝 | 细胞松弛素B | 解聚 | +端加帽 | 真菌 |
| 微丝 | 鬼笔环肽 | 稳定 | 结合纤维 | 鹅膏菌 |
| 微管 | 紫杉醇 | 稳定 | 结合纤维 | 紫杉 |
| 微管 | 诺考达唑 | 解聚 | 结合亚基 | 人工合成 |
| 微管 | 秋水仙碱 | 解聚 | 两端加帽 | 秋水仙 |
肌动蛋白结合蛋白影响细丝动力学和组织
在试管中，如前所述，肌动蛋白的聚合仅由其浓度以及 pH 值以及盐和 ATP 的浓度控制。然而，在细胞内，肌动蛋白的行为也受到结合肌动蛋白单体或细丝的许多辅助蛋白的调节（在面板 16-3 中总结）。在体外稳态下，当单体浓度为 0.1 μM 时，细丝半衰期（衡量单个肌动蛋白单体在踏车上运行时在细丝中停留时间的指标）约为 30 分钟。在非肌肉脊椎动物细胞中，肌动蛋白丝的半衰期仅为 30 秒，这表明细胞因子会改变肌动蛋白丝的动态行为。肌动蛋白结合蛋白通过对丝成核、伸长和解聚的空间和时间控制，显著改变肌动蛋白丝动力学。它们还调节肌动蛋白与膜的结合以及细丝的组织方式。在以下部分中，我们描述了这些辅助蛋白改变细胞中肌动蛋白功能的方式，使肌动蛋白聚合能够产生支撑、塑造和移动细胞膜所需的力。
肌动蛋白成核受到严格调节并产生分枝或直丝
在大多数非肌肉脊椎动物细胞中，大约 50% 的肌动蛋白位于丝状物中，50% 是可溶的，但可溶性单体浓度为 50-200 μM，远高于临界浓度。为什么如此少的肌动蛋白聚合成细丝？一个主要原因是肌动蛋白丝多聚体化在细胞中受到大量控制肌动蛋白丝成核的蛋白质的严格调节，这些蛋白质几乎总是靠近膜表面。包含串联连接的肌动蛋白单体结合基序的 Pro tein 介导最简单的细丝成核机制。这些肌动蛋白成核 pro tein 将几个肌动蛋白亚基聚集在一起形成种子。在大多数情况下，肌动蛋白成核由以下两个不同因素之一催化：Arp2/3 复合物或formins。其中第一种是蛋白质复合物，包括两种肌动蛋白相关蛋白 （ARP），每种蛋白与肌动蛋白约 45% 相同。Arp2/3 复合物使肌动蛋白丝生长成核并保持与负极结合，允许+极的快速延长。Arp2/3符合物介导的肌动蛋白纤维成核要求成核促进因子（NPF）的活性。当 Arp2/3 复合物附着在预先存在的肌动蛋白丝的一侧时，它会受到进一步的刺激。因此，Arp2/3 复合物激活产生一个支链的肌动蛋白丝阵列，与膜相邻，将单个丝构建成一个树状网络。细胞表达多个 NPF，每个 NPF 都形成支链肌动蛋白网络，用于启动各种肌动蛋白聚合依赖性过程，例如膜结合囊泡在细胞内的短距离运输、粘附连接的形成（参见第 19 章）和吞噬作用（参见图 13-70）。如下所述，NPF 驱动的肌动蛋白聚合通常在细胞迁移过程中细胞前缘的突出中起直接作用。
formin是二聚体蛋白，可成核未分支丝的生长，这些丝可被其他蛋白质交联形成平行束。每个formin亚基都有一个单体肌动蛋白的结合位点，formin二聚体似乎通过捕获两个单体使肌动蛋白丝聚合成核。随着新成核细丝的生长，formin二聚体仍然与快速生长的正端相关，同时仍然允许在该端添加新的亚基（图 16-13）。这种细丝组装机制与 Arp2/3 复合物使用的机制明显不同，后者保持稳定地结合到细丝负端，防止该端的亚基添加或丢失。除了在肌动蛋白成核中的作用外，formin蛋白还显著加速肌动蛋白丝的生长。formin介导包含极化肌动蛋白电缆的各种细胞结构的组装，包括丝状伪足、应力纤维和收缩环。
Arp2/3 复合物和formin的肌动蛋白丝成核主要发生在质膜，因此大多数细胞中肌动蛋白密度最高位于细胞皮层内的细胞外围。该区域中的肌动蛋白决定了细胞表面的形状和运动，使细胞能够响应外部环境的变化迅速改变其形状和刚度。
肌动蛋白丝的伸长受单体结合蛋白的调节
一旦成核，肌动蛋白的快速聚合取决于在每根丝的正端进一步添加肌动蛋白单体。一个关键因素是单体结合蛋白 profilin。Profilin 与 ATP 结合裂隙对面的表面结合，阻塞了通常与细丝负端结合的单体一侧，同时使单体上与正端结合的位点暴露出来（参见图 16-8）。当 profilin-肌动蛋白复合物结合游离 plus 末端时，肌动蛋白的构象变化降低了其对 profilin 的亲和力，profilin 脱落，使肌动蛋白丝长了一个亚基。在某些细胞类型中，一种称为胸腺肽的小蛋白非常丰富，并与 profilin 竞争肌动蛋白单体结合，从而进一步调节可用于聚合的肌动蛋白单体库。
profilin 大大促进了肌动蛋白丝的生长，原因有两个。首先，profilin 保持了大量肌动蛋白单体，准备在filament 正端聚合。其次，profilin 的结合位点存在于许多formin以及许多激活 Arp2/3 复合物的 NPF 中。通过与刺激丝成核的因子结合，profilin 结合的肌动蛋白单体被直接募集到丝伸长位点，迅速加速肌动蛋白 filament 组装（图 16-14）。
肌动蛋白丝结合蛋白改变丝动力学和组织
肌动蛋白丝的行为受两大类结合蛋白的调节：沿丝侧面结合的蛋白和与末端结合的结合蛋白（参见图 16-3）。侧结合蛋白包括原肌球蛋白，这是一种与肌球蛋白马达无关的细长蛋白，可沿螺旋肌动蛋白丝的两个凹槽中的每一个同时结合 6 个或 7 个相邻的肌动蛋白亚基。除了稳定和硬化丝外，原肌球蛋白的结合还可以阻止肌动蛋白丝与其他蛋白质相互作用;原肌球蛋白功能的这一方面在控制肌肉收缩方面很重要，我们将在后面讨论。
一旦肌动蛋白分子水解了它们的 ATP，停止生长且未在细胞中特异性稳定的肌动蛋白丝将迅速解聚，尤其是在其正端。加帽蛋白（也称为 CapZ，因为它位于肌肉 Z 带中）的结合通过使其无活性来稳定肌动蛋白丝的正端，从而大大降低丝的生长和解聚速率（图 16-15）。在负端，肌动蛋白丝可能被负责其成核的 Arp2/3 复合物覆盖，尽管典型细胞中的许多负端从 Arp2/3 复合体中释放并且没有加帽。
原肌调节蛋白Tropomodulin以其在肌肉中肌动蛋白丝加帽的功能而闻名，它与肌动蛋白丝的负端紧密结合，这些肌动蛋白丝已被原肌球蛋白包被并因此稳定。在许多细胞类型中，一大类原调节蛋白可调节肌动蛋白丝的长度和稳定性。
末端结合蛋白可以影响细丝动力学，即使它们以非常低的水平存在。由于亚基添加和丢失仅发生在丝末端，因此每个肌动蛋白丝一个末端结合蛋白分子（大约每 200-500 个肌动蛋白亚基一个分子）足以改变肌动蛋白丝网络的结构。例如，肌动蛋白 f ilament plus 末端在膜上成核后的快速加帽会使肌动蛋白聚合集中在新的成核位点，因此 plus 末端仅在需要推力的地方生长（参见图 16-17）。
细胞肌动蛋白网络的三维组织也取决于肌动蛋白交联蛋白的活性。其中一些交联蛋白将肌动蛋白丝捆绑成一个平行阵列，而另一些则以较大的角度将两个肌动蛋白丝结合在一起，从而形成更松散的网状结构。肌动蛋白交联蛋白通常具有两个相似的肌动蛋白结合位点，它们可以是单个多肽链的一部分，也可以由二聚体中结合在一起的两个多肽链中的每一个贡献（参见图 16-3）。这两个细丝结合结构域的间距和排列会影响给定交联蛋白形成的肌动蛋白结构的类型。例如，小单体蛋白 fimbrin 有助于在长细胞突起（如微绒毛和内耳感觉毛细胞的立体纤毛）中发现的平行肌动蛋白丝束的紧密堆积。其他肌动蛋白交联蛋白在其两个结合域之间具有柔性或刚性的弯曲连接，使它们能够形成肌动蛋白网或三维网络，而不是肌动蛋白束。细丝蛋白filamin通过将成对的肌动蛋白丝大致以直角夹紧在一起来实现这一点，从而促进松散和高粘度凝胶的形成。
每种类型的捆绑蛋白也会影响哪些其他分子可以与交联的肌动蛋白丝相互作用。肌球蛋白 II 是一种运动蛋白，使应力纤维和其他收缩阵列能够施加张力。由 fimbrin 引起的肌动蛋白丝非常紧密的堆积显然排除了肌球蛋白，因此由 fimbrin 固定在一起的平行肌动蛋白丝不具有收缩性。另一方面，α-肌动蛋白将相反极性的肌动蛋白纤维交联成松散的束，从而允许肌球蛋白结合并形成收缩的肌动蛋白束。由于肌动蛋白丝的间距和方向非常不同，fimbrin 的捆绑会自动阻止 α-肌动蛋白的束子，反之亦然，因此两种类型的束蛋白是互斥的。
如前所述，动物细胞中的大部分肌动蛋白聚合始于成核蛋白被激活的质膜。数十种其他肌动蛋白结合蛋白与皮质肌动蛋白网络相关。例如，蛋白质血影蛋白的网状网状结构连接到红细胞皮层中的肌动蛋白，在那里它维持细胞形状和质膜的结构完整性（参见第 630-631 页）。ERM 家族的成员（以其前三个成员 ezrin、radixin 和 moesin 命名）表达得更广泛，它们通过与许多细胞类型中的跨膜蛋白和潜在肌动蛋白细胞骨架相互作用的能力来帮助组织膜结构域。在此过程中，它们不仅提供结构连接以加强细胞皮层，而且还调节信号转导通路的活动。Moesin 还增加皮质刚度，以促进有丝分裂期间的细胞变圆。ERM 蛋白被认为在各种情况下结合并组织皮质肌动蛋白细胞骨架，从而影响膜的形状和刚度以及信号分子的定位和活性。
切断蛋白调节肌动蛋白丝解聚
肌动蛋白丝调节的另一个重要机制取决于将肌动蛋白丝分解成许多更小细丝的蛋白质，从而产生大量新的丝末端。这些新末端的命运取决于其他辅助蛋白的存在。在某些情况下，新形成的末端使细丝伸长成核，从而加速新细丝结构的组装。在其他条件下，切断促进旧丝的解聚，使解聚速度加快十倍或更多。此外，切断会改变细胞质的物理和机械特性：坚硬、大的细胞束和凝胶变得更加流动。
一类肌动蛋白切断蛋白是凝溶胶蛋白超家族gelsolin superfamily。这些蛋白 被高水平的胞质 Ca2+ 激活。凝溶胶蛋白与肌动蛋白丝的侧面相互作用，并包含与两个不同位点结合的亚结构域：一个暴露在丝状物表面，另一个隐藏在相邻亚基之间。当热波动在相邻亚基之间产生一个小间隙时，活化的凝溶胶蛋白被认为会切断肌动蛋白的间隙，此时凝溶胶蛋白将自身插入间隙以破坏细丝。切断事件后，凝溶胶蛋白仍附着在肌动蛋白丝上并盖上新的 plus 端。
在所有真核细胞中发现的第二种肌动蛋白丝不稳定蛋白是丝切蛋白cofilin。丝切蛋白也称为肌动蛋白解聚因子actin-depolymerizing factor，沿肌动蛋白丝的长度结合，迫使丝更紧密地扭曲（图 16-16）。丝切蛋白结合诱导的机械应力削弱了细丝中肌动蛋白亚基之间的接触，使细丝不太稳定，更容易被热运动切断，从而产生快速拆卸的细丝末端。因此，细胞内的大多数肌动蛋白丝的寿命比试管中由纯肌动蛋白形成的短。
丝切蛋白优先与含有 ADP 的肌动蛋白丝结合，而不是与含有 ATP 的丝结合。由于 ATP 水解通常比丝组装慢，因此细胞中最新的肌动蛋白丝仍然主要含有 ATP，并且对丝切蛋白的解聚具有抵抗力。因此，丝切蛋白倾向于分解细胞中的旧细丝。正如后面讨论的，丝切蛋白介导的旧而非新肌动蛋白丝的分解对于驱动病原体细胞内运动和细胞迁移的肌动蛋白网络的极化、定向生长至关重要。肌动蛋白丝可以通过原肌球蛋白结合保护肌动蛋白丝切蛋白。因此，肌动蛋白在不同亚细胞位置的动力学取决于稳定和不稳定辅助蛋白的平衡。
细菌可以劫持宿主肌动蛋白细胞骨架
对某些细菌和病毒的研究完美地说明了辅助蛋白在基于肌动蛋白的运动和力产生中的重要性，这些细菌和病毒使用宿主细胞肌动蛋白细胞骨架的成分穿过细胞质。哺乳动物细胞的细胞质非常粘稠，含有抑制细菌或病毒等大颗粒扩散的细胞器和细胞骨架元件。为了在细胞中四处移动并侵入邻近细胞，包括单核细胞增生李斯特菌（导致一种罕见但严重的食物中毒）在内的几种病原体通过募集和激活其表面的 Arp2/3 复合物来克服这个问题。Arp2/3 复合物使肌动蛋白丝的组装成核，肌动蛋白丝产生巨大的力，并以高达 15 μm/min 的速率推动细菌穿过细胞质，留下长长的肌动蛋白“彗星尾巴”（图 16-17;另见图 23-29 和 23-30）。通过将细菌添加到纯肌动蛋白、Arp2/3 复合物、丝切蛋白和加帽蛋白的混合物中，可以在试管中重建这种运动，从而说明了肌动蛋白聚合动力学如何通过细丝组装和拆卸的空间调节产生运动。正如我们将看到的，这种基于肌动蛋白的运动也是运动细胞前缘膜突出的基础。
细胞皮层的肌动蛋白决定细胞形状
尽管肌动蛋白存在于真核细胞的整个细胞质中，但动态肌动蛋白丝的行为主要发生在细胞皮层。在这里，通过与许多不同蛋白质的相互作用，肌动蛋白丝被组织成几种类型的阵列，包括支链网络、平行束以及直丝和支链的组合（图 16-18）。不同的成核蛋白的作用会引发不同的结构：支链网络的肌动蛋白丝由 Arp2/3 复合物成核，而束则由formin产生的长直丝组成。这里的动态会产生不同的细胞形状和特性，以及在迁移的成纤维细胞中观察到的称为丝状伪足和板状伪足的突出结构。这些伪足充满了致密的丝状肌动蛋白核心，不包括膜封闭的细胞器。这些结构的主要区别在于肌动蛋白由肌动蛋白交联蛋白组织的方式（参见面板 16-3）。丝状伪足基本上是一维的。它们包含一个长而束的肌动蛋白丝核心，让人想起微绒毛中的肌动蛋白丝，但更长、更细，也更有活力。板状伪足是二维的片状结构。它们包含肌动蛋白的交联网，其中大部分位于平行于固体基质的平面中。丝状伪足帮助细胞感知环境线索并在细胞迁移中发挥作用。例如，在发育中的神经元中，f ilopodia 从生长锥的前缘延伸，并帮助引导它们到达目标。板状伪足和相关的富含肌动蛋白的结构的突出，将在后面更详细地讨论，它驱动许多迁移细胞的前缘向前移动。
细胞迁移的不同模式依赖于肌动蛋白细胞骨架
细胞运动是所有细胞行为中最引人注目的之一。虽然一些细胞利用基于微管的纤毛或鞭毛来游泳（本章稍后讨论），但许多细胞依靠肌动蛋白细胞骨架进行爬行运动。掠食性变形虫不断爬行寻找食物，很容易观察到它们攻击并吞噬池塘水中较小的纤毛虫和鞭毛虫（见电影 1.4）。在胚胎发生过程中，动物的结构是由单个细胞迁移到特定目标位置和整个上皮片的协调运动创建的（在第 21 章中讨论）。在脊椎动物中，神经嵴细胞从它们在神经管中的起源部位长距离迁移到整个胚胎的各个部位（见电影 21.7）。同样，发育轴突前进尖端的富含肌动蛋白的生长锥移动到远处的突触靶标。
The adult animal seethes with crawling cells. 巨噬细胞和中性嗜血细胞爬行到感染部位并吞噬外来入侵者，这是一种先天免疫反应。破骨细胞通过隧道进入骨骼，形成通道，这些通道被跟随它们的成骨细胞填充，这是一个持续的骨重塑和更新过程。同样，成纤维细胞通过连接组织迁移，在必要时重塑它们，并有助于在受伤部位重建受损的结构。在有序的行进中，肠道上睑层中的细胞沿着肠绒毛的两侧向上移动，取代了在绒毛尖端丢失的吸收细胞。
细胞迁移在许多癌症中也起作用，当原发性肿瘤中的细胞侵入邻近组织并爬入血管或淋巴管，然后出现在身体的其他部位形成转移时。细胞迁移取决于位于质膜下方的富含肌动蛋白的皮层。图 16-19 根据肌动蛋白的组织方式说明了细胞迁移的不同模式。所有迁移的特征都是突出，其中质膜在细胞前部被推出。在间充质细胞迁移中（这是玻璃表面生长的成纤维细胞或上皮细胞的特征）Arp2/3 复合物介导肌动蛋白丝成核在细胞的前缘，从而产生一个层状足（参见图 16-18）。在前缘后面，丝切蛋白（参见图 16-16）使较旧的（ADP 结合的）肌动蛋白丝解聚。因此，肌动蛋白网络在前面组装，在后面拆卸，让人想起前面讨论的单个肌动蛋白丝中发生的踏车（见图 16-11）。间充质细胞迁移需要牢固地附着在底层，这使得细胞体能够产生牵引力并推动自身向前发展。肌动蛋白细胞骨架使用连接到细胞底部表面基于整合素的黏着斑的应力纤维支撑自身（参见图 19-56）。细胞后部肌动蛋白丝束和肌球蛋白 II 马达的收缩，与附着位点的拆卸相协调，使细胞体能够易位。
间充质细胞迁移缓慢，移动速率小于每分钟 1 μm。相比之下，细胞迁移的第二种模式，即变形虫细胞迁移amoeboid cell migration，类似于变形虫典型的快速运动和形状变化，并且可以快数百倍（电影 16.2）。这种移动模式是中性粒细胞等白细胞的典型特征，其特征是通过 Arp2/3 复合物的局部激活使细胞突起爆炸性延伸。突起比板状伪足厚得多，称为pseudopodia (or pseudopods).。与间充质细胞迁移相反，变形虫型运动并不严重依赖于基于整合素的附着到下层表面。然而，牵引是通过与基质的较弱结合发生的，并且迁移细胞看起来更圆润。运动伴随着细胞前部的突出和后部的收缩。
伪足的突出是由在板状伪足中作用的肌动蛋白丝聚合和解聚的相同原理驱动的，肌动蛋白成核、聚合和分解的循环位于细胞的前缘，但产生三维而不是二维结构。一种独特的三维膜突出也可能是由称为起泡blebbing的过程引起的。在这种情况下，质膜从下面的肌动蛋白皮层局部分离，从而允许细胞质 流将膜向外推。膜泡的形成取决于静水压力，静水压力是由细胞后部肌动蛋白和肌球蛋白组装体的收缩产生的。一旦气泡延伸，肌动蛋白丝就会在气泡膜的内表面重新组装，形成新的肌动蛋白皮层。
T hus、前缘突起、粘附到表面和细胞皮层的收缩是所有细胞迁移模式的基础。这些迁移模式可以根据细胞状态、细胞外环境和不同信号通路的激活进行相互转换。
在三维空间中迁移的细胞可以绕过障碍
研究细胞在二维表面上的运动揭示了细胞迁移的重要原理。然而，体内大多数迁移细胞必须在复杂的三维环境中进行谈判。被其他细胞和细胞外基质包围，迁移细胞被限制在空间中，必须绕过将它们与目的地隔开的物理障碍。例如，在免疫监视期间，称为树突状细胞的白细胞在感染部位和淋巴结之间迁移，以启动全身免疫反应（见第 24 章）。可以通过将它们包埋在三维胶原凝胶基质中来模拟树突状细胞迁移，其中它们向趋化信号快速迁移变形虫，延伸大量富含肌动蛋白的突起（图 16-20A 和 B）。当引入包含不同大小通道的微室时，细胞将选择最宽的路径（图 16-20C）。在本章的后面，我们将讨论趋化线索如何诱导细胞极化并引导迁移细胞朝着正确的方向发展。
一些细胞细胞使用称为podosomes的特殊粘附结构，这些结构对于细胞穿过组织屏障非常重要，例如在胚胎发育期间。侵袭性伪足是导致侵入组织的转移性癌细胞迁移的相关结构。podosomes和侵袭性伪足包含许多与其他突起相同的肌动蛋白调节成分。它们还分泌降解细胞外基质的蛋白酶，使它们能够穿过路径上的基质屏障。
总结
肌动蛋白是一种高度保守的细胞骨架蛋白，几乎在所有真核细胞中都以高浓度存在。成核为肌动蛋白聚合提供了动力学屏障，但一旦形成，肌动蛋白丝就会由于结合的 ATP 水解而发生动态行为。肌动蛋白丝是极化的，当细丝在正端组装时，同时在负端解聚时，可以进行跑步。在细胞中，肌动蛋白丝动力学在每一步都受到调节，肌动蛋白的各种形式和功能取决于辅助蛋白的多种多样的序列。大约一半的肌动蛋白通过与 profilin 等蛋白质结合保持为单体形式。Arp2/3 复合物和formin等成核因子分别促进支链丝和平行丝的形成。结合或帽化肌动蛋白丝的蛋白质与促进丝切断或解聚的蛋白质之间的相互作用可以减慢或加速丝组装和拆卸的动力学。另一类辅助蛋白通过以几何定义的方式将它们彼此交联，将它们组装成更大的有序结构。这些肌动蛋白阵列与细胞质膜之间的连接赋予动物细胞机械强度，并允许细化皮质细胞结构，例如板状伪足、丝状伪足、伪足和微绒毛。通过在其表面诱导肌动蛋白丝聚合，细胞内病原体可以劫持宿主细胞细胞骨架并在细胞内移动。细胞迁移取决于通过组装新的肌动蛋白丝或膜起泡、对底层的牵引以及肌球蛋白马达产生的收缩力使细胞体向前移动，从而在前缘形成突起。
肌球蛋白和肌动蛋白
肌动蛋白细胞骨架的一个关键特征是它可以形成收缩结构，这些结构通过肌球蛋白运动蛋白的作用使肌动蛋白丝彼此交联和相对滑动。肌动蛋白-肌球蛋白组装体在所有真核细胞中都发挥着重要功能，例如如前所述，在细胞迁移中。此外，肌动蛋白和肌球蛋白驱动肌肉收缩。
基于肌动蛋白的运动蛋白是肌球蛋白超家族
第一个被鉴定的运动蛋白是骨骼肌肌球蛋白，它产生肌肉收缩力。这种蛋白质现在称为肌球蛋白 II，是一种细长的蛋白质，由两条重链和四条轻链形成。每条重链在其 N 端都有一个球状头部结构域，其中包含产生力的机制，然后是一个非常长的 α 螺旋氨基酸序列，该序列形成一个延伸的卷曲螺旋以介导重链二聚化（图 16-21）。两条轻链靠近 N 末端头部结构域结合，而长卷曲螺旋尾部与其他肌球蛋白分子的尾部捆绑在一起。在骨骼肌中，这些尾部-尾部相互作用形成大的、双极的粗的细丝，这些细丝有数百个肌球蛋白头，在粗细丝的两端方向相反（图 16-22）。
每个肌球蛋白头结合并水解 ATP，利用 ATP 水解的能量向肌动蛋白丝的正端移动（图 16-23）。粗丝中头部的相反方向使细丝有效地将相反方向的肌动蛋白丝对相互滑动，从而缩短肌肉。在骨骼肌中，精心排列的肌动蛋白丝排列成围绕肌球蛋白粗丝的细丝阵列，ATP 驱动的肌动蛋白丝滑动导致强大的收缩。心脏和平滑肌包含排列相似的肌球蛋白 II 分子，尽管编码它们的基因不同。
肌球蛋白通过将 ATP 水解与构象变化偶联来产生力
运动蛋白利用其 ATP 结合位点的结构变化与细胞骨架丝产生循环相互作用。ATP 结合、水解和释放的每个循环都会推动它们沿细丝沿单个方向向前到达新的结合位点。对于肌球蛋白 II，沿肌动蛋白运动的每一步都是由 8.5 nm 长的α螺旋或杠杆臂的摆动产生的，该螺旋或杠杆臂在结构上通过轻链的结合而稳定。在头部旁边的杠杆臂的底部，有一个活塞状螺旋，它将头部 ATP 结合裂隙的运动与所谓的转换器结构域的小旋转联系起来。此时的微小变化可以像长杠杆一样摆动螺旋线，导致螺旋线的远端移动约 5.0 nm。
肌球蛋白构象的变化与其对肌动蛋白结合亲和力的变化相结合，使肌球蛋白头能够在一个点松开对肌动蛋白丝的抓握，并在另一个点再次抓住它。ATP 结合、ATP 水解和磷酸盐释放（导致动力冲程）的完整机械无化学循环产生单步运动（图 16-24）。在低 ATP 浓度下，产生力的步骤和下一个 ATP 的结合之间的间隔足够长，可以观察到单个步骤（图 16-25）。肌球蛋白 II 沿肌动蛋白丝滑动导致肌肉收缩 肌肉收缩是动物最熟悉和最容易理解的运动形式。在脊椎动物中，跑步、行走、游泳和飞行都依赖于骨骼支架上骨骼肌的快速收缩，而心脏泵血和肠道蠕动等不自主运动分别取决于心肌和平滑肌的收缩。所有这些形式的肌肉收缩都依赖于 ATP 驱动的高度组织化的肌动蛋白丝阵列与肌球蛋白 II 阵列的滑动。骨骼肌是一个相对较晚的进化发育，肌肉细胞高度专业化，可以快速有效地收缩。骨骼肌的细长肌纤维实际上是通过许多独立细胞的融合而发展。大肌肉细胞保留了参与细胞的许多细胞核。这些细胞核位于质膜的正下方（图 16-26）。里面的大部分细胞质由肌 f ibrils 组成，这是肌肉细胞的基本收缩元件的名称。肌原纤维是直径为 1-2 μm 的圆柱形结构，通常与肌肉细胞本身一样长。它由一长串重复的微小收缩单元组成——称为肌节，每个长约 2.2 μm——使脊椎动物肌原纤维具有条纹外观（图 16-27）。
每个肌节由一个微型的、精确有序的平行排列和部分重叠的细丝和粗丝形成。细丝由肌动蛋白和相关蛋白组成，它们的正端连接到肌节两端的 Z 盘上。肌动蛋白丝的顶端向肌节中部延伸，在那里它们与粗丝重叠，双极组件由肌球蛋白 II 的特定肌肉亚型形成（见图 16-22）。当通过电子显微镜在横截面上检查该重叠区域时，肌球蛋白丝以六边形排列，肌动蛋白均匀地分布在其间。
肌节缩短是由肌球蛋白丝滑过肌动蛋白细丝引起的，两种细丝的长度都没有变化（参见图 16-27C 和 D）。双极粗丝向两组方向相反的细丝的正端行走，由数十个独立的齿状肌球蛋白头驱动，这些头被定位为与每根细丝相互作用。因为肌球蛋白头的运动之间没有协调性，所以它们在每个 ATP 酶循环的一小部分时间里与肌动蛋白丝保持紧密结合至关重要，这样它们就不会相互阻碍。每个肌球蛋白粗肌丝大约有 300 个头部（青蛙肌肉中有 294 个），每个头部在快速收缩过程中每秒循环大约五次——肌球蛋白和肌动蛋白丝以高达 15 μm/sec 的速度相互滑动，并使肌节在不到 1/50 秒的时间内缩短其长度的 10%。每个肌原纤维中首尾相连的数千个肌节的快速同步缩短使骨骼肌能够迅速收缩，足以跑步和飞行或弹钢琴。
辅助蛋白在肌节中的细丝组织、长度和间距方面产生显着的均匀性，并使其能够承受收缩的持续磨损（图 16-29）。肌动蛋白丝加末端锚定在 Z 盘中，Z 盘由 CapZ 和 α-辅肌动蛋白actinin构成;Z 盘中的 CapZ 覆盖细丝（防止解聚），而 α-辅助肌动蛋白将它们固定在规则间隔的束中。肌动蛋白丝沿其长度由原肌球蛋白tropomyosin和一种称为 nebulin 的巨大尺寸蛋白质稳定，该蛋白质几乎完全由重复的 35 个氨基酸的肌动蛋白结合基序组成。Nebulin 从 Z 盘向每根细丝的负端伸展，细丝被 tropomodulin 覆盖和稳定。尽管在肌肉细丝的两端有一些缓慢的肌动蛋白亚基交换，以至于细丝的成分在几天的半衰期内翻转，但肌节中的肌动蛋白丝与其他细胞中发现的肌动蛋白丝相比非常稳定，半衰期只有几分钟或者更短。
一种称为 titin 的更长蛋白质将粗肌丝置于 Z 盘之间的中间位置。Titin 充当分子弹簧，具有一系列长的免疫球蛋白样结构域，当对蛋白质施加压力时，这些结构域可以一个接一个地展开。这些域的弹簧状展开和重新折叠使粗丝保持在肌节中间，并允许肌肉纤维在过度拉伸后恢复。在秀丽隐杆线虫中，其肌节比脊椎动物的肌节长，titin也更长，这表明它也起到分子标尺的作用，在这种情况下决定了每个肌节的总长度。
胞质 Ca2+ 浓度的突然升高引发肌肉收缩
肌球蛋白粗丝和肌动蛋白细丝之间产生力的分子相互作用仅在信号从刺激它的神经传递到骨骼肌时发生。信号到达后，肌肉细胞需要能够立即非常迅速地收缩，所有肌瘤同时缩短。肌肉细胞的两个主要特征使极快速的收缩成为可能。首先，如前所述，每根粗丝中单独的肌球蛋白马达头只花费与细丝绑定的 ATP 循环时间的一小部分并主动产生力，因此许多肌球蛋白头可以快速连续地作用于同一根细丝，而不会相互干扰。其次，专门的膜系统在整个细胞中快速中继输入信号。来自神经的信号触发肌肉细胞质膜中的动作电位（在第 11 章中讨论），这种电激发迅速扩散到一系列质膜皱襞——横小管或 T 小管——从每个肌原纤维周围的质膜向内延伸。然后，信号通过一个小间隙传递到肌浆网，肌浆网是相邻的修饰内质网的网状鞘，像网袜一样围绕着每个肌原纤维（图 16-30A 和 B）。
当传入的动作电位激活 T 管膜中的 Ca2+ 通道时，它会触发紧密相关的肌浆网膜中 Ca2+ 释放通道的打开（图 16-30C）。Ca2+ f 渗入胞质溶胶然后启动每个肌原纤维的收缩。因为来自肌肉细胞质膜的信号在几毫秒内（通过 T 小管和肌浆网）传递到细胞中的每个肌瘤，所以细胞中的所有肌原纤维都会同时收缩。Ca2+ 浓度的增加是短暂的，因为 Ca2+ 被其膜中丰富的、ATP 依赖性的 Ca2+ 泵（也称为 Ca2+-ATP 酶）迅速泵回肌浆网中（参见图 11-14）。通常，细胞质 Ca2+ 浓度在 30 毫秒内恢复到静息水平，使肌原纤维放松。因此，肌肉收缩依赖于消耗大量 ATP 的两个过程：由肌球蛋白运动域的 ATP 酶驱动的细丝滑动，以及由 Ca2+ 泵驱动的 Ca2+ 泵送。
脊椎动物骨骼肌收缩的 Ca2+ 依赖性，因此它对通过神经传递的命令的依赖性，完全是由于一组与肌动蛋白细丝密切相关的特殊辅助蛋白。这些辅助蛋白之一是原肌球蛋白的肌肉形式，原肌球蛋白是沿肌动蛋白丝螺旋沟结合的细长蛋白。另一种是肌钙蛋白，它是三种多肽肌钙蛋白 T、I 和 C（分别以其原肌球蛋白结合、抑制和 Ca2+ 结合活性命名）的复合物。肌钙蛋白 I 与肌动蛋白和肌钙蛋白 T 结合。在静息肌肉中，肌钙蛋白 I-T 复合物将原肌球蛋白从其正常的结合槽中拉出，到达沿肌动蛋白丝的位置，从而干扰肌球蛋白头的结合，从而阻止任何产生力的相互作用。当 Ca2+ 水平升高时，肌钙蛋白 C（最多可结合四个 Ca2+ 分子）导致肌钙蛋白 I 释放对肌动蛋白的控制。这允许原肌 sin 分子滑回其正常位置，以便肌球蛋白头可以沿着肌动蛋白丝行走（图 16-31）。肌钙蛋白 C 与普遍存在的 Ca2+ 结合蛋白钙调蛋白密切相关（见图 15-34）;它可以被认为是钙调蛋白的一种特殊形式，它已经获得了肌钙蛋白 I 和肌钙蛋白 T 的结合位点，从而确保肌原纤维对 Ca2+ 浓度的增加做出极快的反应。
在平滑肌细胞中（之所以这样称呼，是因为它们缺乏骨骼肌的规则条纹）收缩也是由钙离子的流入触发的，但调节机制不同。平滑肌形成胃、肠和子宫的收缩部分，以及动脉壁和许多其他需要缓慢和持续收缩的结构。平滑肌由高度细长的纺锤形细胞片组成，每个细胞都有一个细胞核。平滑肌细胞不表达肌钙蛋白。相反，升高的细胞内 Ca2+ 水平通过依赖于钙调蛋白的机制调节收缩（图 16-32）。Ca2+ 结合的钙调蛋白激活肌球蛋白轻链激酶MLCK，从而·介导肌球蛋白的磷酸化。当轻链被磷酸化，肌球蛋白头部就可以与肌动蛋白丝相互作用造成收缩。当去磷酸化是，肌球蛋白头部与之解离。
调节平滑肌细胞收缩的磷酸化事件发生得相对较慢，因此最大收缩通常需要近一秒（相比之下，骨骼肌细胞收缩需要几毫秒）。但收缩的快速激活在平滑肌中并不重要：它的肌球蛋白 II 水解 ATP 的速度比骨骼肌肌球蛋白慢约 10 倍，产生肌球蛋白构象变化的缓慢循环，导致缓慢收缩。
心肌是一台精确设计的机器
心脏是人体工作最重的肌肉，在人的一生中收缩约 30 亿次（3 × 109）次（电影 16.8）。心脏细胞表达心肌肌球蛋白和心肌肌动蛋白的几种特异性亚型。即使是这些心脏特异性收缩蛋白的细微变化——不会对其他组织造成任何明显后果的变化——也可能导致严重的心脏病（图 16-33）。
正常的心脏收缩装置是一台高度调整的机器，以至于工作中任何地方的微小异常都足以在多年的重复运动中逐渐磨损它。家族性肥厚性心动性病变是年轻运动员猝死的常见原因。这是一种遗传显性遗传病，每千人中约有 2 人受到影响，它与心脏扩大、异常小的冠状动脉血管和心律失常（心律失常）有关。这种情况的原因是编码心脏β-肌球蛋白重链的基因中 40 多个细微点突变中的任何一个（几乎所有突变都会导致运动域或附近的变化），或者是编码收缩蛋白的其他基因中的十几个突变之一，包括肌球蛋白轻链、心肌原层蛋白和原肌球蛋白。心脏肌动蛋白基因的微小错义突变会导致另一种类型的心脏病，称为扩张型心肌病，这也可能导致早期心力衰竭。
肌动蛋白和肌球蛋白在非肌肉细胞中执行多种功能
大多数非肌肉细胞包含瞬时形成的收缩肌动蛋白-肌球蛋白 II 组装体，使细胞形态发生动态变化。非肌肉收缩束受肌球蛋白磷酸化而不是肌钙蛋白的调节（图 16-34A）。细胞皮层质膜下方的收缩肌动蛋白和肌球蛋白产生张力，这种张力的梯度导致细胞形状变化。肌动蛋白-肌球蛋白 II 束还通过组装成应力纤维来提供机械支持，这些应力纤维通过粘附将细胞连接到细胞外基质，或通过粘附连接将其连接到相邻细胞（在第 19 章中讨论）。如第 17 章所述，收缩环中的肌动蛋白和肌球蛋白 II 产生胞质分裂的力，这是细胞分裂的最后阶段。最后，如前所述，收缩束也有助于迁移细胞的粘附和向前运动。收缩束的组织类似于肌节的周期性组织，涉及许多相同的蛋白质。然而，非肌肉肌球蛋白 II 细丝比骨骼肌的粗细丝短约 7 倍，并且它们的形成是高度动态的（图 16-34B 和 C）。
非肌肉细胞还表达一大类其他肌球蛋白，这些蛋白在细胞中具有不同的结构和功能。在发现传统的肌球蛋白后，在淡水变形虫Acanthamoeba castellanii.中发现了该家族的第二个成员。这种蛋白质具有不同的尾部结构，似乎起着单体的作用，因此它被命名为肌球蛋白 I（代表一个头）。常规肌肉肌球蛋白更名为 myosin II（两个头部）。随后，发现了许多其他肌球蛋白类型。重链通常从 N 端可识别的肌球蛋白运动域开始，然后与各种 C 端尾部结构域广泛分化（图 16-35）。肌球蛋白家族包括许多单头和双头变体，它们与肌球蛋白 I 和肌球蛋白 II 的关系大致相同，现在的命名反映了它们的大致发现顺序（肌球蛋白 III 到至少肌球蛋白 XVIII）。不同真核生物之间的序列比较表明，超家族中至少有 37 个不同的肌球蛋白家族。除了一个肌球蛋白外，所有肌球蛋白都向肌动蛋白丝的正端移动，尽管它们以不同的速度移动。肌球蛋白 VI 是个例外，它向负端移动。肌球蛋白尾部（以及一般运动蛋白的尾部）显然在进化过程中发生了分化，以允许蛋白质结合其他亚基并与不同的货物相互作用。
有些肌球蛋白仅存在于植物中，有些仅存在于脊椎动物中。然而，大多数存在于所有真核生物中，这表明肌球蛋白出现在真核生物进化的早期。人类基因组包括大约 40 个肌球蛋白基因。人类肌球蛋白中有 9 种主要或仅在内耳的毛细胞中表达，其中 5 种突变已知会导致遗传性耳聋。这些极其特化的肌球蛋白对于从这些细胞的顶端表面投射的立体纤毛中发现的复杂而美丽的肌动蛋白束的构建和功能很重要;这些细胞突起响应声音而倾斜，并将声波转换为电信号。
大多数肌球蛋白的功能仍有待确定，但有几种已经得到很好的表征。肌球蛋白 I 蛋白的尾部通常包含第二个肌动蛋白结合位点或膜结合位点，它们通常参与细胞内组织，包括细胞表面富含肌动蛋白的结构的突出，例如微绒毛和内吞作用。肌球蛋白 V 是一种双头肌球蛋白，步长较大（图 16-36），参与沿肌动蛋白丝的细胞器运输。与肌球蛋白 II 马达相比（以整体形式工作并且仅瞬时连接到肌动蛋白丝上，以免相互干扰），而肌球蛋白 V 则沿着肌动蛋白丝连续或进行性地移动，而不会松手。肌球蛋白 V 的功能在酿酒酵母中得到了很好的研究，它经历了一种称为出芽的生长和分裂的刻板模式。母细胞中的肌动蛋白电缆指向芽，肌动蛋白存在于聚集在细胞壁生长发生的地方的斑块中。肌球蛋白 V 马达沿着肌动蛋白电缆携带多种货物，包括 mRNA、内质网和分泌囊泡，并进入芽中（见图 16-76）。
摘要
肌球蛋白使用它们的颈部结构域作为杠杆臂，将 ATP 水解转化为机械功，以逐步方式沿着肌动蛋白丝移动。骨骼肌由肌原纤维组成，肌原纤维包含数千个肌节，这些肌节由高度有序的肌动蛋白和肌球蛋白 II 丝阵列以及许多辅助蛋白组装而成。钙刺激肌肉收缩，钙导致肌动蛋白丝相关蛋白原肌球蛋白移动，发现肌球蛋白结合位点并允许丝相互滑过。平滑肌和非肌肉细胞具有不太有序的肌动蛋白和肌球蛋白收缩束，它们受肌球蛋白轻链磷酸化的调节。肌球蛋白 V 通过沿着肌动蛋白丝行走来运输货物。
微管
微管在结构上比肌动蛋白丝更复杂，但它们也具有高度动态性，并在细胞中发挥着类似的多样化和重要作用。微管是微管蛋白的聚合物。微管蛋白亚基是由两个密切相关的球状蛋白（称为 a-微管蛋白和 b-微管蛋白）形成的异二聚体，每个蛋白质包含 445-450 个氨基酸，它们通过非共价键紧密结合在一起（图 16-37A）。这两种微管蛋白仅存在于该异二聚体中，每个 α 或 β 单体都有一个 GTP 分子的结合位点。与 α-微管蛋白结合的 GTP 被物理捕获在二聚体界面，永远不会被水解或交换;因此，它可以被认为是微管蛋白异二聚体结构的组成部分。相比之下，β-微管蛋白可能与 GTP 或 GDP 结合，正如我们将看到的，这种差异对于微管动力学很重要。
微管蛋白存在于所有真核细胞中，并且以多种亚型存在。它的氨基酸序列在进化过程中高度保守：因此，酵母和人微管蛋白 75% 相同。在哺乳动物中，至少有六种形式的 α-微管蛋白和相似数量的 β-微管蛋白，每种都由不同的基因编码。尽管不同形式的微管蛋白非常相似，并且可以在试管中共聚成混合微管，但它们在细胞和组织中可以有不同的位置，并执行微妙不同的功能。
一个突出的例子是，由于眼神经功能丧失，特定人类 β-微管蛋白基因的突变会导致麻痹性眼球运动障碍。一些人类神经系统疾病也与特定微管蛋白基因的突变有关。
微管是由原丝制成的空心管
微管是由 13 个平行的原丝构成的空心圆柱形结构，每个原丝由头到尾堆叠的 αβ-微管蛋白异二聚体组成，然后折叠成管（图 16-37B、C 和 D）。微管产生的组装产生了两种新型的蛋白质-蛋白质接触。沿着原丝的纵轴，一个 β-微管蛋白分子的“顶部”与相邻异二聚体中 α-微管蛋白分子的“底部”形成界面。该界面与将 α 和 β 单体一起固定在二聚体亚基中的界面非常相似，具有高结合能。垂直于这些相互作用，相邻的原丝形成横向接触，主要横向接触发生在相同类型的单体之间（α-α 和 β-β）。横向接触的轻微交错会产生螺旋状微管晶格，它将大多数亚基紧紧地固定在适当的位置。因此，亚基的添加和丢失几乎只发生在微管末端（参见图 16-5）。
亚基之间的多次接触使微管变硬且难以弯曲。微管保持笔直的平均长度（持久性长度）是肌动蛋白丝的 10 倍以上，使微管成为大多数动物细胞中最坚硬、最直的结构元件。
微管中每个原丝中的亚基都指向同一方向，并且原丝本身平行排列，α-微管蛋白在负端暴露，β-微管蛋白在正端暴露。至于肌动蛋白丝，其亚基的规则、平行方向使微管具有结构和动态极性（图 16-38）：微管的正端比其负端生长和收缩得更快。
微管经历一个称为Dynamic Instability的过程
微管动力学与肌动蛋白丝的动力学一样，受到三磷酸核苷（microtu bules 的 GTP）的结合和水解的深刻影响，而不是肌动蛋白的 ATP。GTP 水解仅发生在微管蛋白二聚体的 β-微管蛋白亚基内，在游离微管蛋白亚基中进行得非常缓慢，当它们掺入微管时会大大加速。GTP 水解后，释放出游离磷酸基团，使 GDP 与微管晶格内的 β-微管蛋白结合。因此，与肌动蛋白丝的情况一样，可以存在两种不同类型的微管结构，一种是与 GTP 结合的 T 形式，另一种是与 GDP 结合的 D 形式。由于磷酸键水解的一些能量以弹性应变的形式储存在聚合物晶格中，因此亚基从 D 型聚合物解离的自由能变化比亚基从 T 型聚合物解离的自由能变化更有利（负）。这使得 GDP-微管蛋白的 koff/kon 比率 [等于其临界浓度 Cc（D）] 远高于 GTP-微管蛋白。因此，在生理条件下，T 型趋于聚合，D 型趋于解聚。
微管末端的微管蛋白亚基是 T 形式还是 D 形式取决于微管蛋白添加和 GTP 水解的相对速率。如果亚基添加速率低，则很可能在添加下一个亚基之前发生水解，然后细丝的尖端将呈 D 形式。如果亚基添加速率很高，因此细丝生长迅速，那么很可能在先前添加的亚基中的 GTP 被水解之前，新的亚基将被添加到聚合物的末端。在这种情况下，聚合物的尖端保持 T 形，形成 GTP 帽。但这种 T 形式可能不会持续存在。通常 GTP-微管蛋白亚基会以类似于 GTP 水解速率的速率在 microtu 末端组装，在这种情况下，水解有时会“赶上”亚基添加的速率并将末端转化为 D 形式。这种转变将是突然和随机的，每单位时间具有一定的概率，这取决于游离 GTP-微管蛋白亚基的浓度，并产生微管的动态不稳定性。
假设游离微管蛋白的浓度介于 T 型末端的临界浓度和 D 型末端的临界浓度之间（即，高于 T 型组装所需的浓度，但低于 D 型的浓度）。现在，任何恰好是 T 形式的末端都会增长，而任何恰好是 D 形式的末端都会收缩。在单个微管上，末端可能以 T 形式生长一段时间，但随后突然变为 D 形式并开始迅速收缩。在以后的某个时间，它可能会重新获得 T 型末端并开始再次生长。在均匀的游离微管蛋白浓度下，生长和收缩状态之间的这种快速相互转换称为动态不稳定性（图 16-39 和图 16-40A;参见面板 16-2）。从增长到收缩的变化称为灾难，而从收缩到增长的变化称为拯救。
动态不稳定的结构基础是不确定的。在体外观察生长和收缩微管末端的基础上，一个模型提出 T 形式的微管蛋白亚基，GTP 与 β 单体结合，产生笔直的原丝，这些原丝彼此之间形成强烈而规则的横向接触，并且 GTP 水解成 GDP 使这些原丝弯曲（图 16-40B）。最近的研究表明，游离微管蛋白亚基在 T 型和 D 型中都具有相似的弯曲构象。现在已经在体外和体内观察到尖端具有弯曲原丝的生长微管，并且在亚基掺入后可能会发生含有 T 形式的原丝的拉直，因为有利的横向相互作用将它们压缩到微管晶格中。无论微管组装的机械性如何，GTP 帽的丢失和随后的灾难都会导致包含 D 型亚基的原丝弹开并脱离（图 16-40C）。
为什么三磷酸核苷水解导致肌动蛋白 f的踏车，而微管经历动态不稳定？一种解释是，结合 GDP 的微管蛋白亚基彼此之间的亲和力非常低，具有非常高的 koff/kon。因此，一旦 GTP 水解发生在体外生长的微管的尖端，它就会发生灾难并完全解聚。相比之下，ADP-肌动蛋白具有较低的 koff/kon 比率，并且解聚速度较慢。第二个原因被认为是细丝两端的临界浓度 （Cc） 的差异。肌动蛋白丝的负端具有比正端高得多的 Cc，而微管的测量表明正端和负端具有相似的 Cc。因此，尽管肌动蛋白和微管动力学的基本原理非常相似，核苷三磷酸结合和水解导致动态行为，但亲和力的数量差异导致它们的内在行为存在巨大差异。
聚合物稳定和聚合物不稳定药物都抑制微管功能
损害微管聚合或解聚的化合物是研究这些聚合物在细胞中作用的有力工具。秋水仙碱和诺考达唑与微管蛋白亚基相互作用并导致微管解聚，而紫杉醇结合并稳定微管，导致微管蛋白聚合净增加（见表 16-1）。像这样的药物对活细胞中微管的组织有快速而深远的影响。微管解聚药物（如诺考达唑）和微管聚合药物（如紫杉醇）都优先杀死分裂细胞，因为微管动力学对于有丝分裂纺锤体的正常功能至关重要（在第 17 章中讨论）。其中一些药物可以杀死人类患者体内某些类型的肿瘤细胞，尽管对快速分裂的正常细胞（包括骨髓、肠道和毛囊中的细胞）并非没有毒性。特别是紫杉醇已被广泛用于治疗乳腺癌和肺癌，并且经常成功治疗对其他化疗药物耐药的肿瘤。
含有 γ-微管蛋白的蛋白质复合物使微管成核
由于微管的形成需要许多微管蛋白异二聚体的相互作用，因此微管自发成核所需的微管蛋白亚基浓度非常高。因此，微管成核需要其他因素的帮助。虽然 α 和 β 微管蛋白是微管的常规组成部分，但另一种类型的微管蛋白（称为 γ 微管蛋白）的含量比 α 和 β 微管蛋白少得多，并且参与从酵母到人类的生物体中微管生长的成核。微管通常从称为微管组织中心 （MTOC） 的特定细胞内位置成核，γ 微管蛋白最丰富。在许多情况下，成核取决于 γ-微管蛋白环复合物 （γ-TuRC）。在该复合物中，两种辅助蛋白直接与 γ-微管蛋白结合，以及其他几种有助于形成 γ-微管蛋白分子螺旋环的蛋白质，该分子用作模板，形成具有 13 个原丝的微管（图 16-41）。
中心体是一个突出的微管成核位点
许多动物细胞具有一个明确的、明确的 MTOC，称为中心体，它位于细胞核附近，微管从其负端成核，因此正端指向外并不断生长和收缩，探测细胞的整个三维体积。中心体通常募集超过 50 个 γ-TuRC 拷贝。然而，大多数动物细胞包含数百个微管，其中大多数不能稳定地锚定在中心体，仅仅因为它们不适合。因此大部分 γ-TuRC 存在于细胞质中，并且中心体并不是微管成核所必需的，因为用激光脉冲破坏它们并不能阻止细胞其他部位的微管成核。已经鉴定出多种将 γ-TuRC 锚定到中心体的蛋白质，但在 MTOC 和细胞其他位点激活微管成核的机制知之甚少。
嵌入中心体的是中心粒，这是一对圆柱形结构，以 L 形配置彼此成直角排列（图 16-42）。中心粒由圆柱形的短的、经过修饰的微管阵列组成，排列成桶形，具有引人注目的九重对称性（图 16-43）。中心粒与大量辅助蛋白一起募集中心粒周围材料，微管成核发生在那里。中心粒周围材料由致密的球形基质组成，该基质被认为是通过生物分子凝结过程形成的（参见图 12-6）。如第 17 章所述（参见图 17-29），中心体在有丝分裂之前复制，形成一对中心体，每个中心体都包含一对中心粒。当有丝分裂开始时，两个中心体分开形成有丝分裂纺锤体的两极（参见面板 17-1）。
微管组织在细胞类型之间差异很大
细胞质中微管的排列在不同细胞类型中有所不同（图 16-44）。在出芽酵母中，微管在 MTOC 上成核，MTOC 作为称为纺锤体极体spindle pole body的小的多层结构嵌入核膜中，也存在于其他真菌和硅藻中。高等植物细胞缺乏中心体，在整个核被膜上以及细胞皮层上进行微管成核。真菌和大多数植物细胞都不含中心粒。尽管存在这些差异，但所有这些细胞似乎都使用 γ-TuRC 来使它们的微管成核。
培养的成纤维细胞包含星状微管构型，动态正端指向细胞外围且稳定的负极在核附近聚集。大多数微管负端从中心体分离，可以由其他细胞结构组织，例如高尔基体，它在间充质细胞中起 MTOC 的作用。细胞中微管的组织建立了一个总坐标系，然后用于定位细胞内的许多细胞器。具有复杂形态的高度分化细胞，例如神经元、肌肉和上皮细胞，使用额外的机制来建立它们更复杂的内部组织。因此，例如，当上皮细胞形成细胞间连接并变得高度极化时，微管负端重新定位到顶端质膜附近的区域。从这个不对称的位置，微管阵列沿细胞的长轴延伸，正端指向基底表面（见图 16-4）。在许多细胞中，微管的负端通过与 γ-TuRC 或其他 cap ping 蛋白结合而稳定，或者它们用作微管解聚位点。一类加帽蛋白在脊椎动物中称为 CAMSAP，其作用是保护负端不解聚并将它们锚定到细胞结构上，例如高尔基体或细胞皮层。
神经元包含复杂的细胞骨架结构。当它们分化时，neu rons 会发出专门的突起，这些过程将接收电信号（树突）或传输电信号（轴突）（参见图 16-45）。轴突和树突（统称为神经突）充满了对其结构和功能至关重要的微管束。在轴突中，所有 microtu bules 的方向都是它们的负端指向细胞体，它们的正端指向轴突末端（参见图 16-44）。微管不会从细胞体一直延伸到轴突末梢;每个的长度通常只有几微米，但大量微管在重叠的阵列中交错排列。这些对齐的微管轨道充当将特定蛋白质、含蛋白质的囊泡和 mRNA 运输到轴突末端的高速公路，在那里构建和维持突触。人体中最长的轴突从脊髓底部一直延伸到脚部，长达一米。树突通常要短得多。树突中的微管彼此平行，但它们的极性是混合的，一些将它们的正端指向树突尖端，而另一些则指向相反的方向。
微管结合蛋白调节细丝动力学和组织
微管聚合动力学在细胞中与在纯微管蛋白溶液中非常不同。细胞中的微管表现出更高的聚合速率（通常为 10-15 μm/min，相对于类似浓度的纯化微管蛋白的约 1.5 μm/min）、更大的灾难频率和微管生长的延长暂停，这种动态行为在纯微管蛋白溶液中很少观察到。出现这些和其他差异是因为细胞内的微管动力学受结合微管蛋白二聚体或 microtu bules 的各种蛋白质控制，如图 16-4 所示。
与微管结合的蛋白质统称为微管相关蛋白 （MAP）。因为从微管中伸出的 α 和 β 微管蛋白的短 （∼20 个氨基酸） C 端尾部富含谷氨酸和天冬氨酸，所以微管表面具有净负电荷。许多 MAP 带正电并通过静电相互作用与微管结合。一些 MAP 可以稳定微管以对抗解聚。MAP 的一个子集还可以介导微管与其他细胞成分的相互作用。这个子集在神经元中很突出，其中稳定的微管束形成从细胞体延伸的轴突和树突的核心（图 16-45）。这些 MAP 至少有一个与微管表面结合的结构域和另一个向外突出的结构域。突出结构域的长度可以决定 MAP 包被的微管堆积在一起的紧密程度，如经过工程改造以过度产生不同 MAP 的细胞所示。过表达 MAP2 （具有较长的突出结构域）的细胞形成保持较宽间距的稳定微管束，而过表达 tau 的细胞（具有更短的突出结构域的 MAP）形成更紧密排列的微管束（图 16-46）。MAP 是多种蛋白激酶的靶标，MAP 的磷酸化可以通过破坏其与微管的静电相互作用来控制其活性和细胞内的定位。
MAP 还可以募集其他组织微管细胞骨架的蛋白质。一个重要的例子是 augmin，这是一种 8 亚基蛋白质复合物，它与微管沿线的位点结合并募集 γ-TuRC，后者将新的微管成核以形成微管分支（图 16-47A）。因此，类似于肌动蛋白丝上 Arp2/3 复合物的活性，augmin 在预先存在的微管上引起分支成核（电影 16.10）。augmin 诱导的分支有助于在有丝分裂期间构建纺锤体。因为它们缺乏中心体，所以植物细胞严重依赖 augmin 依赖性微管分支成核来组织微管细胞骨架（图 16-47B 和 C）。
微管加末端结合蛋白调节微管动力学和附着物
虽然许多细胞中微管的负端通常是稳定的和惰性的，但相反，正端可以有效地探索和探测细胞的整个体积。许多与 microtu bule plus 末端结合的蛋白质促进了这一过程，从而影响微管动力学。这些蛋白质可以影响微管从生长状态切换到收缩状态（灾难的频率）或从缩小状态切换到生长状态的速率（拯救的速率）。例如，被称为灾变因子catastrophe factor（或驱动蛋白-13）的驱动蛋白家族的成员与微管末端结合，似乎将原丝撬开，从而降低了正常的活化能屏障，该屏障阻止微管弹开到弯曲的原孔中，这是收缩状态的特征（图 16-48）。其他 plus 末端相关蛋白可促进微管的快速生长。一个特别普遍的例子是 XMAP215，它在从酵母到人类的生物体中都有紧密的同源物。与将肌动蛋白亚基集中在生长的肌动蛋白丝的正端的formin一样，XMAP215结合游离微管蛋白亚基并将它们递送到微管的正端，从而显着加速聚合（参见图 16-48）。
一大类 MAPs 在微管+端富集。这些 MAP 称为正端示踪蛋白 （+TIPs），它们会结合活跃生长的正端并在发生解聚时解离（图 16-49）。上面提到的驱动蛋白 13 灾变因子和XMAP215也表现为 +TIP，并起到调节它们所在的微管末端的生长和收缩的作用。其他 +TIP 通过帮助捕获和稳定特定细胞靶标（例如细胞皮层或有丝分裂染色体的着丝粒）处生长的微管末端来控制微管定位。EB1 及其近缘蛋白是在动物、植物和真菌中高度保守的小二聚体蛋白，是这一过程中的关键参与者。EB1 蛋白不会主动向正端移动，而是识别生长的正端的结构特征（参见图 16-49）。几个 +TIP 依赖于 EB1 蛋白的正端积累，并且还彼此相互作用以及与微管晶格相互作用。通过附着在正端，这些因子控制微管动力学，并允许细胞利用微管聚合的能量来产生可用于定位纺锤体、染色体或细胞器的推力。
微管蛋白隔离和微管切断蛋白调节微管动力学
与肌动蛋白单体一样，细胞隔离未聚合的微管蛋白亚基，以将活性亚基池维持在接近临界浓缩的水平。小蛋白 stathmin（也称为 Op18）的一个分子结合两个微管蛋白异二聚体并防止它们添加到微管的末端（图 16-50）。因此，Stathmin 降低了可用于聚合的微管蛋白亚基的有效浓度（类似于药物秋水仙碱的作用），并增加了生长中的微管切换到收缩状态的可能性。stathmin 的磷酸化会抑制其与微管蛋白的结合，导致 stathmin 磷酸化的信号可以增加微管伸长的速率并抑制动力学不稳定性。Stathmin 与细胞增殖和细胞死亡的调节有关。值得注意的是，缺乏 stathmin 的小鼠发育正常，但比野生型小鼠更不恐惧，这反映了 stathmin 在杏仁核神经元中的作用，它通常以高水平表达。
切断是细胞用来破坏 microtu bules 的另一种机制。要切断微管，必须断开 13 个纵向键，每个原丝一个。蛋白质 katanin 以日语中的“剑”命名，可以完成这项艰巨的任务（图 16-51A 和 B）。Katánin 属于一大类蛋白质，它们利用 ATP 水解的能量来分解或重塑蛋白质复合物。通过从微管壁中提取微管蛋白亚基，katanin 削弱结构，从而促进断裂。Katanin 还从微管组织中心释放微管，并被认为有助于在有丝分裂期间在纺锤体两极观察到的快速微管解聚。
矛盾的是，许多细胞类型中微管切断蛋白活性的丧失导致微管细胞减少而不是增加。因此，微管切断蛋白在稳定微管方面发挥着意想不到的作用。这怎么可能呢？在微管切断事件的中间步骤中，GDP 结合的微管蛋白亚基从微管壁上丢失，并被可溶性池 GTP-微管蛋白亚基取代。如果在切断完成之前有足够数量的 GTP-微管蛋白亚基加入，则切割微管的新正端将具有稳定的 GTP-微管蛋白帽，因此会聚合。因此，微管切断可以产生促进更多聚合物生长的正端。或者，不完全切断可能导致微管晶格中出现 GTP-tu bulin 岛，当该地点在灾难后暴露时，这可能会促进未来的救援事件（图 16-51C）。尽管在体外用纯微管观察到 GTP-微管蛋白插入晶格中，但这种活性在细胞中的重要性尚未完全确定。
两类沿着微管蛋白运动的马达
就像肌动蛋白，微管也与马达蛋白合作。有两类：驱动蛋白和动力蛋白，有三种主要功能。1，运输如细胞器的货物，微管相比微丝可以进行长距离的运输。2.马达是微管蛋白相对运动，形成特定的微管排列方式，3，一类微管马达调节微管动力学，如驱动蛋白13.
与肌球蛋白一样，驱动蛋白是一个大的蛋白质超家族，其中重链的运动域是共同元素（图 16-52）。酵母酿酒酵母有六种不同的驱动蛋白。线虫秀丽隐杆线虫有 20 种驱动蛋白，人类有 45 种。驱动蛋白-1 与肌球蛋白 II 相似，每个活性马达有两条重链;它们形成两个球状头部马达结构域，它们由介导重链二聚化的细长卷曲螺旋尾部固定在一起。大多数驱动蛋白的运动域位于 N 端，并朝着微管的正端移动。运动结构域位于 C 端的驱动蛋白沿相反方向移动，朝向微管的负端，而驱动蛋白-13 有一个中央运动结构域，根本不走动，而是利用 ATP 水解的能量解聚微管末端（见图 16-48）。一些驱动蛋白是单体，而另一些是同型二聚体、异二聚体或四聚体。马达可以通过轻链或衔接蛋白连接到膜封闭的细胞器。一些驱动蛋白具有第二个微管结合结构域，可增加其对微管的亲和力或介导两个微管的交联和滑动。
在驱动蛋白-1 中，ATP 结合位点的小运动调节运动头结构域与长接头区域的对接和分离。其作用是将第二个头沿原丝向前抛向更靠近微管加端 8 nm 的结合位点，即原丝的微管蛋白二聚体之间的距离。两个磁头中的 ATP 水解循环紧密协调，因此这种接头对接和分离的循环允许双头电机以手对接（或头对头）逐步移动（图 16-53）。
动力蛋白是一个与驱动蛋白无关的负端导向微管电机家族。它们由一条、两条或三条重链（包括运动域）和大量且数量可变的相关中间链、轻中间链和轻链组成。动力蛋白家族有两个主要分支。第一个包含细胞质动力蛋白，它们是两条重链的同源二聚体（图 16-54）。细胞质动力蛋白 1 在几乎所有真核细胞中都由单个基因编码，但在开花植物和一些藻类中缺失。它用于细胞器和 mRNA 运输，在细胞迁移过程中定位中心和细胞核，以及在有丝分裂和减数分裂中构建微管纺锤体。细胞质动力蛋白 2 仅存在于有鞭毛真核生物中，用于从顶端到基部的物质运输——称为IFT的过程。轴丝动力蛋白是第二个分支，包括单体、异二聚体和异源三聚体，分别具有一条、两条或三条包含马达的重链。它们高度专业化于驱动纤毛和鞭毛跳动的快速有效的微管滑动运动（稍后讨论）。
动力蛋白是已知分子马达中最大的。虽然在结构上与肌球蛋白和驱动蛋白无关，但动力蛋白遵循将 ATP 水解与微管结合和解结合以及产生力的构象变化耦合的一般规则（图 16-55）。
微管和马达移动细胞器和囊泡
间期细胞中细胞骨架马达的一个主要功能是膜封闭细胞器的运输和定位（电影 16.13）。驱动蛋白最初被确定为负责快速顺行轴突运输、线粒体快速移动、分泌囊泡前体以及各种突触成分沿着轴突的微管高速公路到达远处神经末梢的蛋白质。细胞质动力蛋白 1 被确定为负责相反方向运输的运动机，即逆行轴突运输。尽管大多数细胞中的细胞器不需要覆盖如此长的距离，但它们的极化运输同样必要。间期细胞中的典型微管阵列的方向是负端靠近中心体的细胞中心，正端延伸到细胞外围。因此，细胞器或囊泡向细胞中心的向心运动需要负端定向的细胞质动力蛋白马达的作用，而向外围的离心运动需要加端导向的驱动蛋白马达的作用。值得注意的是，在动物细胞中，几乎所有的负端导向运输都是由单个细胞质动力蛋白 1 马达驱动的，而至少 15 种不同的驱动蛋白用于加端导向的运输。
微管和微管马达对细胞内膜行为影响的一个明显例子是它们在组织内质网 （ER） 和高尔基体中的作用。ER 膜小管网络与微管对齐，几乎延伸到细胞边缘（电影 16.14），而高尔基体位于中心体附近。当用解聚微管的药物（如秋水仙碱或诺考达唑）处理细胞时，内质网塌陷到细胞中心，而高尔基体则碎裂并分散在整个细胞质中。在体外，驱动蛋白可以将 ER 衍生的膜拴在预先形成的微管轨道上，并朝着微管正端移动，将 ER 膜拖出到管状突起中，形成一个看起来非常像细胞中的 ER 的膜网。相反，将高尔基体定位在动物细胞细胞中心附近需要动力蛋白;它们通过沿着微管轨道将高尔基体囊泡移动到中心体的微管负端来实现这一点。
不同的尾巴及其在特定运动蛋白上的相关轻链允许电机附着在适当的细胞器货物上。被分类到特定膜封闭隔室的膜相关运动受体直接或间接地与适当的驱动蛋白家族成员的尾部相互作用。许多病毒在感染过程中利用基于微管马达的运输，并使用驱动蛋白从其复制和组装部位移动到质膜，从那里它们准备感染邻近细胞。
对于动力蛋白，一个大的大分子组装体介导对货物的附着。为了有效地易位细胞器，细胞质动力蛋白本身是一个巨大的蛋白质复合物，需要与称为动力蛋白的第二个大型蛋白质复合物以及介导它们相互作用的衔接蛋白结合，并且链接到 Vesicle 等货物。动力蛋白复合物包括一条短的肌动蛋白样细丝，它由肌动蛋白相关蛋白 Arp1 形成（不同于 Arp2 和 Arp3，Arp2/3 复合物的成分参与常规肌动蛋白丝的成核）（图 16-56）。许多其他蛋白质也有助于动力蛋白货物结合和运动调节，它们的功能在神经元中尤为重要，其中基于微管的运输缺陷与神经系统疾病有关。一个突出的例子是无脑回畸形，这是一种人类疾病，其中细胞无法迁移到发育中的大脑的大脑皮层。一种类型的无脑回畸形是由 Lis1 缺陷引起的，Lis1 是多个物种核迁移所需的动力蛋白结合蛋白。在正常大脑中，细胞核的迁移将发育中的神经细胞体引导至其在皮层中的正确位置。然而，在没有 Lis1 的情况下，这个过程会失败，受影响的儿童会出现发育迟缓以及各种神经系统缺陷。神经元功能持续需要动力蛋白，因为动力蛋白亚基或细胞质动力蛋白尾部区域的突变会导致人类和小鼠的神经元变性。这些效应与逆行轴突转运减少有关，并为稳健轴突转运在神经元活力中的重要性提供了有力的证据。
细胞可以调节运动蛋白的活性，从而导致其膜封闭细胞器的位置或全细胞运动的变化。鱼黑素细胞提供了最引人注目的例子之一。这些巨细胞负责几种鱼类皮肤颜色的快速变化，含有大色素颗粒，这些颗粒可以响应神经元或荷尔蒙刺激而改变它们的位置（图 16-57）。色素颗粒通过沿着广泛的微管网络移动而聚集或分散，这些微管通过其负端锚定在中心体。对个体色素颗粒的追踪显示，向内运动快速流畅，而向外运动生涩，后退频繁。动力蛋白和驱动蛋白微管马达都与色素颗粒有关。生涩的向外运动可能是对立双方之间拉锯战的结果，更强的驱动蛋白总体上胜出。当细胞内cAMP 水平降低时，驱动蛋白失活，使动力蛋白自由地将色素颗粒迅速拖向细胞中心，从而改变鱼的颜色。以类似的方式，涂有特定运动蛋白的其他膜细胞器的运动受到调节运动蛋白附着和活性的竞争信号的复杂平衡的控制。
运动纤毛和鞭毛是由微管和动力蛋白构成的
正如肌原纤维是由肌动蛋白和肌球蛋白丝构成的高度专业化和高效的运动机器一样，纤毛和鞭毛是由微管和动力蛋白构成的高度专业化和高效的运动结构。纤毛和鞭毛都是毛发状的细胞附属物，其核心有一束微管。鞭毛存在于精子和许多原生动物上。通过起伏的运动，它们使它们出来的细胞能够在液体介质中游动。纤毛的组织方式相似，但它们以类似于游泳中的蛙泳的鞭子状动作敲打。纤毛跳动可以推动单个细胞通过液体（如原生动物草履虫的游泳），也可以使液体在组织中一组细胞的表面移动。在人体中，大量的纤毛（109/cm2 或更多）排列在我们的呼吸道上，扫荡着层层粘液、被捕获的灰尘颗粒和细菌，直到口腔被吞下并最终消除。同样，沿着输卵管的纤毛有助于将卵子扫向子宫。
纤毛或鞭毛的运动是由其核心的弯曲产生的，称为轴丝。轴丝由微管及其相关蛋白质组成，以独特而规则的模式排列。九个特殊的微管双联体（包括一个完整的和一个部分的微管融合在一起，以便它们共享一个共同的小管壁）围绕一对单个微管排列成一个环（图 16-58）。几乎所有形式的运动真核生物鞭毛和纤毛（从原生动物到人类）都有这种行为安排。微管在轴丝的长度上连续延伸，可以是 10-200 μm。在沿微管长度的规则位置，辅助蛋白将微管交联在一起。
轴丝动力蛋白分子在轴丝圆周周围的相邻微突二联体之间形成桥梁（图 16-59）。当该动力蛋白的运动域被激活时，连接到一个微管二联体（参见图 16-60）的动力蛋白分子试图沿着相邻的微管二联体，倾向于迫使相邻的二联体相对滑动，就像肌动蛋白细丝在肌肉收缩过程中滑动一样。然而，微管二联体之间存在其他链接阻止了这种滑动，动力蛋白力反而转化为弯曲运动（图 16-60）。并非轴丝中的所有动力蛋白都同时活跃，这导致纤毛或鞭毛的特征性波状运动（电影 16.15）。在人类中，轴丝动力蛋白的遗传缺陷会导致一种称为原发性纤毛运动障碍或 Kartagener 综合征的疾病。这种综合征的特征是由于发育中的胚胎中液体流动的中断导致内部器官的正常不对称性倒置 （situus inversus），由于精子不动导致雄性不育，以及由于瘫痪的纤毛无法清除呼吸道中的碎屑和细菌而对肺部感染的高度易感性。
细菌也使用称为鞭毛的细胞表面结构游泳，但这些结构不含微管或动力蛋白，也不会波动或跳动。相反，细菌 f lagella 是长而坚硬的螺旋丝，由 pro tein 鞭毛蛋白的重复亚基组成。鞭毛像螺旋桨一样旋转，由嵌入细菌细胞壁的特殊旋转电机驱动。使用相同的名称来表示这两种截然不同的游泳器材是一个不幸的历史事故。
原生纤毛在动物细胞中发挥重要的信号传导功能
许多细胞生出一条短而不可动的纤毛称为原生纤毛，原生纤毛可以看作特化的细胞器或结构，有着多样的细胞功能，却与可动纤毛结构相似。运动和非运动纤毛在间期在称为基体的质膜相关结构中产生，这些结构将它们锚定在细胞表面。每个基体的核心是一个中心粒，相同的结构成对嵌入动物中心体的中心，有九组融合的微管三联体排列在一个车轮中（见图 16-43）。中心粒是多功能的，有助于有丝分裂纺锤体在分裂细胞中的组装，但迁移到间期细胞的质膜以模板化轴丝的成核（图 16-61）。因为纤毛中没有发生蛋白质翻译，所以轴丝的构建需要鞭毛内运输 （IFT），这是一种在绿藻衣藻中发现的运输系统。与轴突类似，电机沿顺行和逆行方向移动货物，在这种情况下分别由驱动蛋白 2 和细胞质动力蛋白 2 驱动。
原生纤毛存在于几乎所有细胞类型的表面，它们感知并响应外部环境，在嗅觉和视觉的解释中最好地理解其功能。在鼻上皮中，从嗅觉神经元树突突出的纤毛是接收气味和信号放大的场所。同样，脊椎动物视网膜的视杆细胞和视锥细胞具有一个称为外段的特殊初级纤毛，专门用于将光转换为神经信号（参见图 15-40）。外段的维持需要 IFT 介导的大量脂质和蛋白质以高达每秒 1000 个分子的速度持续转运到纤毛中。纤毛病强调了纤毛功能与视觉和嗅觉之间的联系，纤毛病是一组与 IFT、纤毛或基体缺陷相关的疾病。在纤毛病 Bardet-Biedl 综合征中，患者无法闻到气味并患有视网膜变性。这种多方面疾病的其他特征包括听力损失、多囊肾病、糖尿病、肥胖和多指症，这表明原发性纤毛在人体生理学的许多方面都有功能。
摘要
微管是微管蛋白分子的坚硬聚合物。它们通过将含有 GTP 的微管蛋白亚基添加到微管的自由端来组装，一端（正端）比另一端生长得更快。结合的 GTP 在组装后发生水解，并削弱了将微管固定在一起的键。Microtu bules 在动态上不稳定，容易发生灾难性的分解，但它们可以通过与其他结构结合在细胞中稳定下来。微管组织中心（如中心体）保护微管的负端，并不断成核形成新的微管。微管相关蛋白 （MAP） 稳定微管，定位于正端的微管 （+TIP） 可以改变微管的动态特性或介导它们与其他结构的相互作用。抵消 MAP 稳定活性的是灾难因子，例如驱动蛋白 13 蛋白，它们的作用是剥离微管末端。其他驱动蛋白家族成员以及动力蛋白利用 ATP 水解的能量沿微管单向移动。运动动力蛋白向微管的负端移动，其轴丝微管的滑动是纤毛和鞭毛跳动的基础。初级纤毛是在许多细胞类型上发现的不运动的感觉细胞器。
中间丝和其他的细胞骨架
所有真核细胞都含有肌动蛋白和微管蛋白。但第三种主要类型的细胞骨骼蛋白，即中间丝，仅在一些后生动物（包括脊椎动物、线虫和软体动物）中形成细胞质丝。中间丝在受机械应力的细胞的细胞质中特别突出，通常不存在于具有刚性外骨骼的动物中，例如节肢动物和棘皮动物。似乎中间细丝为较柔软的动物的组织赋予机械强度。
细胞质中间丝与它们的祖先密切相关，即更普遍的核纤层蛋白，它们存在于许多真核生物中，但在单细胞生物中缺失。核纤层蛋白在核膜的内膜上形成一个网状结构，在那里它们为染色体和核孔提供锚定位点。在后生动物进化过程中，核纤层蛋白基因有几次明显复制，并且复制基因已经进化成产生绳状的细胞质中间丝。与由少数基因编码的高度保守的肌动蛋白和微管蛋白亚型相比，不同家族的中间丝更加多样化，并且由 70 个具有不同细胞类型特异性功能的不同人类基因编码（表 16-2）。
中间丝的结构依赖于卷曲螺旋
尽管它们的氨基和羧基末端结构域不同，但所有中间体家族成员都是细长的蛋白质，具有一个保守的中央 α-螺旋结构域，其中包含 40 个左右的七氨基酸重复基序，与另一个单体形成一个长长的卷曲螺旋。然后一对平行的二聚体以反平行的方式结合，形成交错的四聚体（图 16-62）。与肌动蛋白或微管蛋白亚基不同，中间丝亚基不包含 ATP 或 GTP 的结合位点。此外，由于四聚体亚基由两个指向相反方向的二聚体组成，因此其两端相同。因此，组装的中间丝缺乏对肌动蛋白丝和微管至关重要的整体结构极性。四聚体横向堆积在一起形成细丝，其中包括由四聚体组成的八个平行原丝。因此，每个单独的中间体具有 32 个单独的 α 螺旋线圈的横截面。如此大量的多肽全部排列在一起，具有卷曲螺旋蛋白典型的强横向疏水相互作用，使中间丝具有绳状特征。它们很容易弯曲，持久性长度小于 1 μm（相比之下，微管的持久性长度为几毫米，肌动蛋白的持久性长度约为 10 μm），但它们极难折断，并且可以拉伸到其长度的三倍以上（参见图 16-6）。
对中间丝的组装和拆卸机制的了解少于对肌动蛋白丝和微管的了解。在纯蛋白质溶液中，由于亚基的紧密结合，中间丝非常稳定，但某些类型的中间丝，包括 vimentin，在成纤维细胞等细胞中形成高度动态的结构。蛋白质磷酸化可能调节它们的分解，与有丝分裂中磷酸化调节核纤层蛋白的分解方式大致相同（参见图 12-65）。作为快速周转的证据，显微注射到组织培养细胞中的标记亚基在几分钟内掺入中间丝中。中间丝网络的重塑伴随着需要动态细胞重组的事件，例如分裂、迁移和分化。
中间丝赋予动物细胞机械稳定性
角蛋白是最多样化的中间丝家族：在不同类型的人类上皮细胞中发现了大约 20 种，另外大约 10 种是头发和指甲特有的;对人类基因组序列的分析表明，有 54 种不同的角蛋白。每条角蛋白丝都由 I 型（酸性）和 II 型（中性/碱性）角蛋白的相等混合物组成;这些形成异二聚体丝亚基（参见图 16-62）。由二硫键结合在一起的交联角蛋白网络甚至可以在细胞死亡后存活下来，为动物形成坚韧的覆盖物，如皮肤外层以及头发、指甲、爪子和鳞片。角蛋白的多样性在临床上可用于上皮癌（癌）的诊断，因为表达的特定角蛋白组表明癌症起源的上皮组织，因此有助于指导治疗的选择。
单个上皮细胞可以产生多种类型的角蛋白，这些角蛋白共聚成一个网络（图 16-63）。角蛋白丝部分通过将中间体锚定在细胞间接触部位（称为桥粒）或细胞间基质接触（称为半桥粒）来赋予上皮组织机械强度（见图 16-4）。我们将在第 19 章中讨论这些重要的胶粘剂结构。辅助蛋白，如filaggrin，将角蛋白聚集在表皮的分化细胞中，使皮肤的最外层具有特殊的韧性。编码 f ilaggrin 的基因突变的个体极易患湿疹等皮肤干燥病。
角蛋白基因突变会导致多种人类遗传疾病。例如，当有缺陷的角蛋白在表皮的基底层细胞层表达时，它们会产生一种称为 单纯性大疱性表皮松解症 这种疾病，其中皮肤会因非常轻微的机械应力而起水泡，从而导致基细胞破裂。其他类型的水疱疾病，包括口腔、食管内壁和眼睛角膜疾病，是由不同角蛋白的突变引起的，这些角蛋白的表达是这些组织特有的。所有这些疾病的典型特征是机械创伤和角蛋白丝细胞骨架的紊乱或聚集导致的细胞破裂。导致这些疾病的许多特异性突变会改变中心杆结构域的末端，证明了蛋白质的这一特定部分对于正确细丝组装的重要性。
另一个中间丝家族的成员，称为神经丝，沿脊椎动物神经元的轴突以高浓度存在（图 16-65）。三种类型的神经丝蛋白（NF-L、NF-M 和 NF-H）在体内共组装，形成杂聚物。NF-H 和 NF-M 蛋白具有较长的 C 末端尾部结构域，可与相邻细丝结合，生成具有均匀丝间间距的对齐阵列。在轴突生长过程中，新的神经丝亚基在整个轴突上掺入一个动态过程，该过程涉及沿细丝长度和末端添加亚基。轴突生长并与其靶细胞连接后，轴突的直径可能会增加多达五倍。神经丝基因表达的水平似乎直接控制轴突直径，这反过来又影响电信号沿轴突传播的速度。此外，神经丝为神经元的长细胞过程提供强度和稳定性。
神经退行性疾病肌萎缩侧索硬化症（ALS 或 Lou Gehrig 病）与运动神经元细胞体和轴突中神经丝的积累和异常组装有关，这些异常可能会干扰正常的轴突运输。轴突的退化导致肌肉无力和萎缩，这通常是致命的。小鼠中人 NF-L 或 NF-H 的过表达会导致小鼠患有 ALS 样疾病。然而，神经丝病理学和 ALS 之间的因果关系尚未得到明确确立。
波形蛋白样细丝是中间细丝的第三个家族。Desmin 是该家族的一员，在骨骼肌、心脏肌和平滑肌中表达，在肌节的 Z 盘周围形成支架（见图 16-29）。缺乏结蛋白的小鼠表现出正常的初始肌肉发育，但成人有各种肌肉细胞异常，包括肌肉错位。在人类中，结蛋白突变与各种形式的肌营养不良和心肌病有关，说明了结蛋白在稳定肌纤维中的重要作用。
在细胞核内，核纤层蛋白保持细胞核的机械稳定性。此外，越来越明显的是，一类核纤层蛋白，即 A 型，连同核膜的许多蛋白质，是控制无数细胞过程（包括转录、chro matin 组织和信号转导）的蛋白质的支架。大多数核纤层蛋白病与核纤层蛋白 A 的突变版本有关，包括组织特异性疾病。骨骼和心脏异常可能是由核膜减弱导致细胞损伤和死亡来解释的，但椎板病也被认为是由基因表达的致病性和组织特异性改变引起的。
接头蛋白连接细胞骨架丝并桥接核膜
中间丝网络通过称为 plakins 的蛋白质家族的成员与细胞骨架的其余部分相连。Plakins 是大型且模块化的，包含多个结构域，这些结构域将细胞骨架丝彼此连接并连接到连接复合物。Plectin 是一个特别有趣的例子。除了捆绑中间丝外，它还将中间丝与微管、肌动蛋白丝束和运动蛋白肌球蛋白 II 的细丝连接起来;它还有助于将中间丝束连接到质膜上的粘附结构上（图 16-66）。
plectin基因突变会导致一种毁灭性的人类疾病，该疾病结合了大疱性表皮松解症（由皮肤角蛋白丝破坏引起）、肌肉萎缩症（由结蛋白丝破坏引起）和神经生成（由神经丝破坏引起）。缺乏功能性 plectin 基因的小鼠在出生后几天内死亡，皮肤起水泡，骨骼和心肌异常。因此，尽管 plectin 对于中间丝的初始形成和组装可能不是必需的，但它的交联作用是为细胞提供承受脊椎动物生命固有的机械应力所需的强度所必需的。
Plectin 和其他 plakin 可以与连接细胞骨架和细胞核内部的蛋白质复合物相互作用。这些复合物由内核膜的 SUN 蛋白和外核膜的 KASH 蛋白组成（图 16-67）。SUN 和 KASH 蛋白在核膜腔内相互结合，形成连接细胞核和细胞质细胞骨架的桥梁。在细胞核内，SUN 蛋白与核层或染色体结合，而在细胞质中，KASH 蛋白可以直接与肌动蛋白丝结合，并分别通过与运动蛋白和plakins结合间接结合到微管和中间丝。这种连接用于将细胞核机械耦合到细胞骨架，并参与许多细胞功能，包括减数分裂期间细胞核内的染色体运动、核和中心体定位、核迁移和整体细胞骨架组织。
septin蛋白形成有助于亚细胞组织的纤维
称为septin蛋白的GTP-结合蛋白，在除陆生植物外的所有真核生物中都充当额外的丝系统。septin蛋白组装成非极性细丝，形成环和笼状结构，它们充当支架，将膜拼接成不同的结构域，或募集和组织肌动蛋白和微管细胞骨架。septin蛋白丝首先在出芽酵母中发现，定位于分裂酵母母细胞与其生长的芽之间的颈部（图 16-68A）。在这个位置，septin蛋白形成一个屏障，限制嵌入质膜中的蛋白质的横向扩散，使细胞生长优先集中在芽内。Septin 还募集肌动蛋白-肌球蛋白机制，形成胞质分裂所需的收缩环。在动物细胞中，septin 在细胞分裂、迁移、囊泡运输和细胞信号传导中发挥作用。例如，在初级纤毛中，一环septin细丝组装在纤毛的基部，并作为质膜的扩散屏障，限制膜蛋白的运动并在纤毛膜中建立特定的组成（图 16-68B 和 C）。septin 水平降低会损害初级纤毛的形成和信号传导。
这里有 7 个酵母中的 septin 基因和 13 个人类中的 septin 基因，septin 蛋白根据序列关系分为四组。在试管中，纯化的septin蛋白组装成对称的异源六聚体或异源八聚体，形成非极性成对细丝（图 16-69）。GTP 结合是 septin 多肽折叠所必需的，但 GTP 水解在 septin 功能中的作用尚不清楚。septin结构在细胞内组装和拆卸，但它们不像肌动蛋白丝和微管那样动态。
细菌细胞的形状和分裂取决于真核细胞骨架蛋白的同源物
尽管它们比典型的真核细胞小得多，但不同种类的细菌细胞呈现出各种形状，从球体或棒状到更复杂的形态，包括星形、螺旋状和分枝丝状（见图 23-3）。从历史上看，生物学家认为，在这种缺乏广泛的细胞内膜封闭细胞器网络的简单细胞中，细胞骨架不是必需的。然而，我们现在知道，细菌的外表简单形态具有欺骗性。细菌细胞高度组织化，包含肌动蛋白、微管蛋白和中间丝的同源物。这些细丝系统对于调节肽聚糖细胞壁的合成和重塑以定义细胞形状和介导细胞分裂至关重要。此外，细菌细胞骨架还可以在 DNA 分离和细胞内组织中发挥重要作用。
许多细菌含有肌动蛋白的同源物。其中两种，MreB 和 Mbl，主要存在于杆状或螺旋形细胞中，它们在那里组装形成沿细胞长度圆周移动的动态斑块。这些蛋白通过作为支架来指导肽聚糖细胞壁的合成，从而影响细胞形状，这与微管帮助组织高等植物细胞中纤维素细胞壁的合成方式大致相同（参见图 19-66）。MreB 和 Mbl 细丝具有高度动态性，半衰期为几分钟，并且 ATP 水解伴随着聚合过程。破坏 MreB 或 Mbl 表达的突变会导致细胞形状的极端异常（图 16-70）。
几乎所有细菌和许多古细菌还含有一种称为 FtsZ 的微管蛋白同源物，它可以聚合成细丝并在细胞分裂过程中隔膜形成的部位组装成一个环（称为 Z 环）（图 16-71）。尽管 Z 环持续数分钟，但其中的单个细丝是高度动态的，平均半衰期约为 30 秒，因为它们沿着细胞圆周踩踏并组织细胞壁合成机制。随着细菌的分裂，Z 环会变小，直到它完全分解。然而，由于细菌细胞内的高膨胀压力，FtsZ 细丝内 GTP 水解产生的能量不太可能产生足够的弯曲力来驱动完成细胞分裂所需的膜内陷。相反，Z 环中的 FtsZ 动力学被认为在空间上组织细胞壁合成机制，以促进均匀、进行性的收缩。这一假设可以解释为什么 FtsZ GTP 酶突变体是存活的，但在大肠杆菌细胞中产生变形的隔膜。
除了肌动蛋白和微管蛋白同源物外，至少一种细菌种类 Caulobacter crescentus 也含有一种与中间丝具有显着结构相似性的蛋白质。一种叫做新月素crescentin的蛋白质形成一种丝状结构，影响该物种不寻常的新月形;当编码新月素的基因被删除时，Caulobacter 细胞会生长成直杆状（图 16-72）。新月素沿内曲率的一侧附着在膜上，被认为会施加一种压缩力，该压缩力会局部减少肽聚糖的插入，因此将细胞壁合成偏向相反的一侧。
其他细菌细胞骨架蛋白在细胞分裂过程中的 DNA 分离中发挥作用。一个特别有趣的细菌肌动蛋白同源物是 ParM，它由某些细菌质粒上的基因编码，这些质粒还携带负责抗生素耐药性的基因，并导致多药耐药性在流行病学中传播。细菌质粒通常编码自身分离所需的所有基因产物，可能是为了确保它们在质粒复制后在细菌宿主中的遗传和繁殖的一种策略。ParM 组装成在两端与质粒拷贝结合的细胞，ParM 丝的生长将复制的质粒拷贝分开（图 16-73）。这种纺锤状结构显然是由于与募集到质粒复制起点的特殊蛋白质结合的丝的选择性稳定产生的。FtsZ和微管蛋白的远亲，叫做TubZ，在其他细菌中有类似的功能。
最后，细胞骨架在一些 bac terial 细胞的内部组织中发挥作用。最著名的例子适用于趋磁细菌，它们能够沿着地球磁场游泳以寻找最佳的水生环境。这些细菌含有磁小体，磁小体是从围绕磁铁矿晶体的质膜内陷的小囊泡。磁小体沿细胞长度呈直线排列，产生偶极子，让人想起指南针。磁小体链的组织需要它们与肌动蛋白样蛋白 MamK 的细丝结合（图 16-74）。
因此，所有细胞都包含执行多种功能的细胞骨架蛋白，肌动蛋白和微管蛋白家族非常古老，早于真核生物和细菌界的分裂。
总结
虽然微管蛋白和肌动蛋白在进化中高度保守，但中间蛋白非常多样化。动物细胞的细胞质中存在许多组织特异性形式的中间丝，包括上皮细胞中的角蛋白丝、神经细胞中的神经丝和肌肉细胞中的结蛋白丝。这些细丝的主要功能是提供机械强度。Septin 包含一个额外的细丝系统，用于组织细胞内的隔室。细菌细胞还包含肌动蛋白、微管蛋白和中间丝的同源物，这些细胞丝形成对细胞形状和分裂至关重要的动态结构。
细胞骨架的细胞极性和协调
细胞生物学的一个主要挑战是了解多个单独的分子成分如何协同产生复杂的细胞行为。我们在本章的最后一部分描述了细胞极性，它控制着细胞功能的许多方面，例如蛋白质分泌和信号的方向、细胞分裂的方向以及迁移细胞将采取的路径。细胞响应细胞外线索或细胞内标志物进行极化，以在其表面建立特定结构域。然后，细胞需要与细胞骨架协调，才能在正面和背面或顶部和底部构建具有不同分子成分的不同结构。通过这种方式，细胞骨架的作用是转导极性信号以产生全细胞组织和行为。在组织中定向细胞分裂和形成连贯、有组织的多细胞生物也需要仔细控制的细胞极化过程。
酵母、果蝇和蠕虫的遗传研究为我们目前对细胞极性的分子基础提供了大部分理解。正如我们将看到的，随着细胞系统复杂性的增加，极性决定机制的进一步阐述也随之而来。然而，许多分子成分在进化上是保守的，在所有情况下，细胞骨架都起着核心作用。
细胞极性受出芽酵母中的小 GTP 酶控制
细胞极性的建立通常始于外部或内部信号对肌动蛋白细胞骨架的局部调节。许多极性信号通过激活一组密切相关的小单体 GTP 酶（Rho 家族成员）汇聚在质膜下方，这些小 GTP 酶是 Rho 家族的成员 Cdc42、Rac 和 Rho。与其他单体 GTP 酶一样，Rho 蛋白充当分子开关，在活性 GTP 结合状态和无活性 GDP 结合状态之间循环（参见图 3-63）。每种 GTP 酶的状态取决于专用的调节蛋白。鸟嘌呤核苷酸交换因子 （GEF） 是激活所必需的，通过用 GTP 取代紧密结合的 GDP，而 GTP 酶激活蛋白 （GAP） 通过促进 GTP 水解来灭活 GTP 酶，否则水解非常缓慢。此外，鸟嘌呤核苷酸解离抑制剂 （GDI） 可与 GTP 酶的 GDP 结合形式结合，并抑制 GEF 的 GTP 交换。
当每个 Rho 家族 GTP 酶的 GTP 结合形式被引入 成纤维细胞时，观察到细胞形状的显着变化。活性 Cdc42 导致在细胞表面形成许多长丝状伪足。Rac 的激活促进细胞外围的肌动蛋白聚合，导致形成片状层状突起。Rho 的激活促进了肌动蛋白 f ilaments 与肌球蛋白 II 丝的捆绑成应力纤维，以及整合素和相关蛋白的聚集形成粘着斑（图 16-75）。之所以发生这些巨大而复杂的结构变化，是因为这三个分子开关中的每一个都有许多影响肌动蛋白组织和动力学的下游靶蛋白。然而，通常情况下，这些 GTP 酶通路不会像本实验那样在整个细胞中均匀激活，而是通过精确的空间和时间调节进行部署以产生极化亚细胞结构，进而引起细胞形状和行为的变化。
Cdc42 是所有 Rho 家族 GTP 酶中最保守的，也是许多细胞类型中细胞极性的主要调节因子。它在建立细胞极性中的重要性体现在它在出芽酵母中的作用，该酵母经历高度极化的细胞分裂。新芽的形成始于在细胞表面选择单个芽位点。只选择一个位点至关重要，因为产生多个芽将不利于细胞分裂。在芽位点选择之前，无活性的 GDP 结合的 Cdc42 均匀分布在细胞膜上。有时，Cdc42 分子会释放其 GDP 并结合 GTP，导致在膜的随机位置形成多个 GTP-Cdc42 病灶。最终，这些 Cdc42 分子之一募集了一种称为 PAK 的蛋白激酶，该激酶反过来又募集了一种支架蛋白和 Cdc42 GEF。含 GEF 的复合物促进邻近 GDP 结合的 Cdc42 分子的激活，从而产生正反馈。Cdc42-GTP 分子在单个位点的聚集耗尽了Cdc42 GEF，从而确保仅形成 Cdc42 激活的一个定位位点（图 16-76A）。然后，这个 Cdc42-GTP 簇传递一个信号，通过募集和激活福尔苄蛋白来极化细胞骨架。回想一下，福尔金蛋白刺激长而直的肌动蛋白丝的快速组装，并在其正端保持拴系（见图 16-13）。产生的肌动蛋白丝通过 V 型肌球蛋白将分泌囊泡和其他货物输送到极性位点，使芽能够生长（图 16-76B;另见图 16-36）。此外，PAK 和福尔曼都有助于在芽颈组装隔膜丝（见图 16-68A）。因此，低水平的 Cdc42 活性被正反馈局部放大，从而在母细胞的单个位点启动肌动蛋白和隔膜蛋白的极化组装。然后，下游效应子有助于芽生长和极化细胞分裂以产生子细胞。
PAR 蛋白在胚胎中产生前后极性
大多数动物细胞不会像出芽酵母那样向单个膜位点极化，而是形成互补的皮质结构域，标记细胞的相对末端。这种形式的极性已在线虫秀丽隐杆线虫胚胎发育的早期阶段得到广泛研究。未受精的平铺卵是对称的，但受精卵或受精卵迅速建立前后轴。然后，第一次细胞分裂沿该轴不对称地发生，产生两个大小、组成和命运不同的子细胞（参见图 17-50）。对这种不对称细胞分裂中缺陷的突变体进行遗传筛选，确定了编码所谓 PAR 蛋白的分区缺陷 （par） 基因。随后的研究表明，还涉及其他因素，并且该系统中建立前后极性的确切分子机制仍在积极研究中。导致受精卵极化的初始事件取决于 GTP 酶 Rho 对皮质肌动蛋白细胞骨架的调节。当精子进入卵子时，卵子对称性首先被打破，卵子标志着胚胎后端的位置。与精子相关的中心体形成星体微管，通过一种未知的机制消耗了细胞该区域的肌球蛋白皮层中的 Rho GEF。Rho 活性的局部丧失会降低肌球蛋白 II 依赖性皮质收缩力，导致对细胞的另一端的张力增强。然后，这种不对称性建立了 PAR 蛋白的定位，使它们占据单独的皮质结构域。一组 PAR 蛋白，即前部 PAR 蛋白，包括 Par-3、Par-6、Cdc42 和非典型蛋白激酶 C （aPKC）。这些蛋白质最初在皮层非极化，由于收缩力的变化导致膜内流动，它们向前移动。前部 PAR 蛋白的富集主动取代另一组蛋白质（后部 PAR 蛋白，包括 Par-1 和 Par-2），然后这些蛋白与后皮层结合（图 16-77）。这些互补的皮质结构域是通过前后组件之间的相互拮抗来维持的，这是通过多个机制发生的。例如，前部区域 aPKC 的磷酸化排除了后部 PAR 蛋白，而后部 PAR 蛋白抑制了其结构域中的 aPKC 活性。目前尚不清楚 PAR 蛋白如何指导其他蛋白质的运输和定位以定义皮质结构域。与酵母一样，仅在前皮层激活的极性调节因子 Cdc42 可能起着关键作用。在所有动物物种中，在胚胎中建立极性的机制决定了整体身体计划（见第 21 章）。随后的极化细胞分裂产生子细胞，这些子细胞注定会成为器官中的不同组织。通过这种方式，在发育早期建立细胞内极性为整个成年动物的极性奠定了基础。