10.2.2 微管的动力学(microtubule dynamics)

除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地组装(assembly)和去组装(disassembly)。低温、提高Ca²⁺浓度、用某些化学试剂(如秋水仙素)处理生活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化，这些化学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合，阻止微管的组装或去组装。

■ 微管组装的起始点∶微管组织中心

● 微管组织中心(microtubule organizing centers, MTOC)

存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心。

MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管组装过程中的成核反应，微管从MTOC开始生长，这是细胞质微管组装的一个独特的性质，即细胞质微管的组装受统一的功能位点控制(图10-8)。

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图10-8 微管从微管组织中心向外生长

阴影部分是MTOCs.,包含一对中心粒和一个中心体。图中标出了生长中微管的正端, 靠近MTOCs部分是微管的负端。

● 中心体(centrosome)是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器, 包括中心粒和中心粒周质基质(pericentriolar matrix)。在细胞间期, 位于细胞核的附近, 在有丝分裂期, 位于纺锤体的两极。

● 中心粒(centrioles)是中心体的主要结构, 成对存在, 即一个中心体含有一对中心粒，且互相垂直形成"L"形排列。中心粒直径为0.2μm. 长为0.4μm，是中空的短圆柱状结构。圆柱的壁由9组间距均匀的三联管组成, 三联管是由3个微管组成, 每个微管包埋在致密的基质中。组成三联管的3个微管分别称A、B、C纤维, A伸出两个短臂, 一个伸向中心粒的中央, 另一个反方向连到下一个三联管的C纤维, 9组三联管串联在一起, 形成一个由短臂连起来的齿轮状环形结构(图10-9)。

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图10-9 中心粒结构

图示一对中心粒, 每个中心粒都是由9个三联管组成, 外面还有中心粒周质基质。微管从中心粒上开始形成。

● 其他类型的微管组织中心

基体(basal body)纤毛和鞭毛的微管组织中心，不过基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒。其它类型的细胞具有不同类型的MTOCs，如真菌的细胞有初级MTOCs,称为纺锤极体(spindle pole body)。植物细胞既没有中心体，又没有中心粒，所以植物细胞的MOTC是细胞核外被表面的成膜体。

● MTOCs与微管的方向

MTOCs 不仅为微管提供了生长的起点，而且还决定了微管的方向性。靠近MTOCs的一端由于生长慢而称之为负端(minus end), 远离MTOCs一端的微管生长速度快, 被称为正端(plus end), 所以(+)端指向细胞质基质，常常靠近细胞质膜。在有丝分裂的极性细胞中，纺锤体微管的(-)端指向一极，而(+)端指向中心，通常是纺锤体的(+)端同 染色体接触。

■ γ微管蛋白(γ tubulin) 在微管组装中的作用

虽然组成微管的亚基是α、β微管蛋白二聚体, 但是存于中心体的另一种微管蛋白：γ微管蛋白对微管的形成具有重要作用(图10-10)。通过遗传学的研究，发现γ-微管蛋白通过与β-微管蛋白的相互作用帮助微管的成核反应(nucleation)。

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图10-10 γ微管蛋白介导微管组装的两种模型

在这两个模型中, γ微管蛋白先形成一个圆环(左)或形成钩环结构(右), γ微管蛋白的这种结构可指导微管蛋白二聚体结合上去并进行微管的组装。

细胞中的γ微管蛋白大约有80%是一种25S复合体的一部分,这种复合体被称为γ微管蛋白环状复合体(γ-tubulin ring complex, γ-TuRC), 因为在电子显微镜观察似一个环。

■ 微管的组装过程

离体实验表明, 微管蛋白的体外组装分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个反应, 其中成核反应是微管组装的限速步骤。成核反应结束时, 形成很短的微管, 此时二聚体以比较快的速度从两端加到已形成的微管上, 使其不断加长(图10-11)。

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图10-11 微管的组装过程

微管组装的基本过程怎样?

■ 微管的极性

微管的极性有两层涵义, 一是组装的方向性, 二是生长速度的快慢。由于微管是以αβ二聚体作为基本构件进行组装的，并且是以首-尾排列的方式进行组装，所以每一根原纤维都有相同的极性(方向性)，这样, 组装成的微管的一端是α-微管蛋白亚基组成的环，而相对的一端是以β-微管蛋白亚基组成的环。极性的另一层涵义是两端的组装速度是不同的, 正端生长得快, 负端则慢, 同样, 如果微管去组装也是正端快负端慢(图10-12)。

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图10-12 微管组装时的极性

■ 影响微管组装和去组装的因素

● 首次体外组装:组装的基本条件

1972年，Richard Weisenberg 首次在体外组装微管获得成功。他将脑的匀浆物置于37℃，然后添加Mg²⁺,GTP和EGTA(EGTA是Ca²⁺的螯合剂，抑制聚合作用), 即可进行微管的组装。还发现，只要降低或提高反应温度就可以使微管去组装和重组装; 若在反应系统中添加微管碎片能够加速微管的组装，加入的微管碎片可起“种子”的作用, 加速微管组装。

● GTP在组装中的作用

聚 合过程需要加入GTP，因为β亚基能够同GTP结合。对于微管的组装来说不需要GTP水解成GDP，但是发现αβ微管蛋白二聚体加入到微管之后不久所结合 的GTP就被水解成GDP。去组装过程中释放出来的αβ微管蛋白二聚体上的GDP要与GTP交换，使αβ微管蛋白二聚体重新结合上GTP，才能作为微管组 装的构件。

微管体外组装需要哪些基本条件?GTP在组装中起什么作用?

● 造成微管不稳定性的因素

造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP浓度、压力、温度(最适温度37℃)、pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度(critical concentration)、药物等( 图10-13)。

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图10-13 影响微管稳定性的某些条件

● 乙酰化和去酪氨酸作用

一些酶在微管组装之后对微管蛋白进行修饰使微管处于稳定状态。典型的例子是微管α亚基的乙酰化和去酪氨酸作用。微管蛋白的乙酰化是由微管蛋白乙酰化酶催化 的，它能够将乙酰基转移到微管蛋白特定的赖氨酸残基上;去酪氨酸作用是由微管去酪氨酸酶(detyrosinase)催化的，它能够除去α微管蛋白C-末 端的酪氨酸残基。这两种修饰作用都使微管趋于稳定。

■ 影响微管稳定性的药物

有几种药物能够抑制与微管的组装和去组装有关的细胞活动, 这些药物是研究微管功能的有力工具, 其主要原因有二:一是这些药物只同微管或微管蛋白二聚体结合；二是它们在细胞中的浓度很容易控制。这些药物中用得最多的是秋水仙素、紫杉醇等(图10-14)。

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图10-14 秋水仙素与紫杉醇的分子结构

● 秋水仙素(colchicine)秋水仙素是一种生物碱, 能够与微管特异性结合。秋水仙素同二聚体的结合, 形成的复合物可以阻止微管的成核反应。秋水仙素和微管蛋白二聚体复合物加到微管的正负两端, 可阻止其它微管蛋白二聚体的加入或丢失。

不同浓度的秋水仙碱对微管的影响不同。用高浓度的秋水仙素处理细胞时, 细胞内的微管全部解聚, 但是用低浓度的秋水仙素处理动物和植物细胞, 微管保持稳定, 并将细胞阻断在中期。

● 紫杉醇(taxol)是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物,紫杉醇只结合到聚合的微管上, 不与未聚合的微管蛋白二聚体反应,因此维持了微管的稳定。

■ 微管组装的动力学行为: 动态不稳定性

● 动态不稳定状态(dynamic instability)

微管在体外组装时发现有两个因素决定微管的稳定性:游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度。高浓度的微管蛋白适合微管的生长, 低浓度的微管蛋白引起GTP的水解, 形成GDP帽, 使微管解聚。GTP的低速水解适合于微管的连续生长, 而快速的水解造成微管的解聚。细胞内的微管处于动态不稳定状态(dynamic instability)

什么是微管的动态不稳定性?造成的根本原因是什么?

● 踏车现象(treadmilling)

又称轮回,是微管组装后处于动态平衡的一种现象（图10-15）。即微管的总长度不变，但结合上的二聚体从(+)端不断向(-)端推移, 最后到达负端。造成这一现象的原因除了GTP水解之外，另一个原因是反应系统中游离蛋白的浓度。踏车现象实际上是一种动态稳定现象。

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图10-15 微管的组装与去组装：踏车现象

● 临界浓度(critical concentration)

因为微管是动态结构, 细胞中存在大量的αβ微管蛋白二聚体, 其浓度也是处于不断的变化之中。由于αβ微管蛋白二聚体的两个亚基都能结合GTP, 所以有两种形式的αβ微管蛋白二聚体, 一种是刚从微管中脱下的, 这种αβ微管蛋白二聚体是GTP-GDP型, 另外一些αβ微管蛋白二聚体的两个亚基都结合有GTP, 是GTP-GTP型。所谓正端的αβ微管蛋白二聚体的临界浓度是指达到组装的最低浓度。

● 动态不稳定性: 生长或缩短 微管的踏车行为使单个微管的长度保持不变,而组成微管的蛋白二聚体发生了变化。实际上, 细胞内的微管常常是处于生长和缩短的动荡状态(图10-16)。

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图10-16 微管的动态不稳定性: 生长或缩短

什么是微管的GTP帽和GDP帽?对微管的动态性质有什么影响?