这种蛋白超家族，干着分手大师和牵线红娘的活
2020/5/8 8:21:56 生物流BioStream

     细胞里的分手大师

     戒指是甜美爱情的象征。

    

     在细胞内，有一类蛋白超家族，它们的模样酷似戒指，名为动力蛋白(Dynamin)超家族。然而，这一超家族中的某些成员，却在不停地干着拆散情侣的“勾当”，它们是细胞内名副其实的“分手大师”。

    

     戒指一样的动力蛋白复合体

     动力蛋白超家族存在于从细菌到人类所有的生物有机体中，家族当中的“分手大师”在细胞内专职掐断各种新形成的囊泡，使其与母体膜分离，或者割裂各种膜结构、细胞器。

     戒指有多种款式，动力蛋白超家族中的分手大师也有多种不同的成员。下面，让我们来欣赏几款动力蛋白超家族里的分手大师。

     细胞膜的分手大师——动力蛋白

     动力蛋白超家族中的分手大师，能够分开那些连在一起的膜，例如细胞膜，内质网膜，高尔基体膜，线粒体膜等。

    

     动力蛋白是这一超家族中的最经典的一员，它存在于细胞质内，参与囊泡膜的断裂。

     动力蛋白是科学家在寻找基于微管的分子发动机时发现的，从牛的大脑中首次分离出来，称为经典动力蛋白。从进化上讲，动力蛋白出现的时间晚，只存在于真核生物中，因此也称为现代动力蛋白。动力蛋白是超家族中最先被发现的，所以这一超家族冠以动力蛋白的名字。之后发现的，具有类似功能的蛋白也一并归入“动力蛋白超家族”。

     以胞吞为例，我们来看动力蛋白是如何当上分手大师的。

    

     胞吞时，局部细胞膜内陷，形成囊泡，外界物质就在囊泡之中。这一过程可形象地描述为出芽。细胞要想真正吸收外界物质，必须将囊泡完全内吞进细胞。所以，胞吞的最后一幕，就是囊泡细胞膜跟母体细胞膜彻底断裂。

    

     胞吞过程(Endocytosis)

     这一关键时刻，动力蛋白跑了过来。当然，它没有意识，不会主动赶来，而是被另一种叫做网格蛋白(Clathrin)的新生蛋白招募到囊泡根部的。

     动力蛋白单体在囊泡芽根部聚集，插入囊泡根部的细胞膜，并一步步组装成环状的动力蛋白复合体，套在囊泡细细的脖子上。

    

     动力蛋白复合体组装过程

     然后，动力蛋白复合体像孙悟空头上的金箍般，开始持续收缩，直至囊泡的脖颈完全断开。随后，囊泡也就从细胞膜上解脱下来。完成使命的动力蛋白复合体之后会重新解聚成单体，回归到细胞质中。

    

     动力蛋白使囊泡和细胞膜分裂开

     这便是分手大师动力蛋白的全部“套路”。

     线粒体膜的分手大师——Drp1

     除了经典动力蛋白，“动力蛋白超家族”还有一些其他成员，例如动力蛋白相关蛋白Drp，Mx蛋白，丝裂霉素Mitofusins等。

     Drp的首屈一员Drp1在线粒体、过氧化物酶体和叶绿体的膜分离中发挥着分手大师的作用。在进化上，跟动力蛋白相比，Drp1出现时间早，所以也叫古代动力蛋白。

     Drp1有与经典动力蛋白相似的结构，但是它却缺少与细胞膜结合的结构域，不能像动力蛋白一样结合并插入细胞膜。

     线粒体是细胞能量货币ATP的生产者，它们一直处于动态的分裂和融合中。线粒体的分割就是由Drp1实施的。切割线粒体时，Drp1不需要插入线粒体膜，也能将线粒体一分为二。

     Drp1勒开线粒体的过程跟动力蛋白分离囊泡的过程类似。首先，Drp1单体在线粒体周围装配，像腰带一样紧束线粒体。然后紧紧收缩，直至把线粒体一分为二。完成任务的Drp1复合体最终解聚开来，重新消散于细胞质内。

    

     Drp1分裂线粒体

     有趣的是，动力蛋白超家族的成员里不仅有“分手大师”，还有功能截然相反的“红娘”，专门负责给细胞膜牵线。

     细胞里的红娘

     红娘

     动力蛋白超家族的某些成员，例如丝裂霉素mitofusin，OPA1等，它们能够撮合两片不同的细胞膜融合到一起。比如，轴突末梢囊泡释放时，囊泡膜需要跟轴突膜融合，这时，动力蛋白超家族里的“红娘”就上场了。

    

     轴突末梢递质释放需要囊泡膜和轴突膜的融合

     这一类超家族的“红娘”成员，搭桥引线的手段很类似。

     首先，蛋白单体附着在即将融合的两个囊泡或两片膜上。然后，两个囊泡上的“”红娘”单体聚集在一起形成二聚体。此时此刻，两个囊泡之间距离仍然较远。为了进一步拉近两位新人的距离，“红娘”会动态变化二聚体的结构，使两个囊泡发生对接(Docking)。对接的两个囊泡，它们的外膜首先触碰到彼此，融为一体，形成半融合结构。随后，囊泡内膜的进一步融合，实现了囊泡的全融合。

    

     动力蛋白超家族中“红娘”，搭桥牵线促使膜融合

     两个囊泡全融合以后，动力蛋白超家族的“红娘”解聚，重新变成单体，溶进细胞质。

     总结

     动力蛋白超家族成员是切割或融合细胞膜结构的酶，在神经递质释放和重吸收、膜表面受体配体摄取、氨基酸和葡萄糖等营养物质的吸收，膜回收再利用等生命的基本过程中发挥关键的作用。同时，也介导了病毒感染等细胞应激过程。

     动力蛋白超家族的“分手大师”，可以装配成像戒指一样的结构，套在细胞膜或线粒体膜上，通过收缩运动，缩小孔径，最终将囊泡从细胞膜上剪切下来，或将细胞器一分为二。而动力蛋白超家族的“红娘蛋白”单体，锚定在两片分离的细胞膜或线粒体膜上，进一步形成二聚体结构，然后通过结构变化拉动膜对接在一起，最终实现膜的融合。

     细胞内时时刻刻都在上演着细胞膜分离和融合的情景大戏，而动力蛋白超家族在其中扮演着诸如“分手大师”和“牵线红娘”般的关键角色。正是由于细胞膜受到动力蛋白超家族的调控，才会处于不断的动态变化之中，细胞才能够维持自己膜结构的动态平衡、在胞吞和胞吐过程中实现自己与外界的信息交换，维持人类最基本的生命活动。

     (生物流系头条号签约作者)

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