驱动蛋白的颈链结构与功能关系.docx

驱动蛋白的颈链结构与功能关系摘要：驱动蛋白的颈链是驱动蛋白力产生的关键元件颈链与驱动蛋白马达 结构域的对接过程为驱动蛋白沿着微管的向前运动提供了驱动力驱动蛋白的颈 链由14〜18个氨基酸组成，它连接着马达结构域和由缠绕螺旋组成的茎部颈 链与驱动蛋白马达结构域的对接过程是通过多种弱键相互作用实现的，这些弱键 相互作用多数都直接或间接与水分子有关颈链及其相关区域的极为巧妙的氨基 酸结构使得这些弱键能够在细胞环境下有效地发挥作用对颈链的结构与功能关 系的认识大大提高了我们对驱动蛋白运动机制的理解关键词：驱动蛋白；颈链；弱键作用1驱动蛋白基于微管运动的驱动蛋白超家族参与细胞内的物质运输、有丝分裂和减数分 裂、控制微管的动态特征和信号转导，并与许多神经类疾病相关，有着重要的医 学研究价值［1〜3］驱动蛋白通常被分成14个不同的家族，分别执行着不同的胞 内活动功能［4］一般来说不同的驱动蛋白家族成员有高度保守的马达结构域， 但是有不同的颈链和尾部结构域，使其各自具有独特的货物约束力、不同的移动 速度、不同的运动方向和移动距离等驱动蛋白可以单体存在，也可以二聚体、 四聚体存在，并且根据马达结构域的位置不同可以分为N-端驱动蛋白、C-端驱 动蛋白或中间位置驱动蛋白［1〜］］。

本文着眼于N-端驱动蛋白介绍与其颈链相关 的当前研究进展N-端驱动蛋白包括驱动蛋白家族中的Kinesin-1、Kinesin-2、 Kinesin-3、Kinesin-5 和 Ki-nesin-7［2〜4, 8］其中 Kinesin-1 是人们发现最早的驱 动蛋白，也是人们研究最多的驱动蛋白［9，10］，驱动蛋白在细胞内行走需要两 个头部密切配合，相互协调，这为分子生物力学研究提供了一个很好的模型2颈链的结构颈链(neck linker)在驱动蛋白运动过程中起着至关重要的作用，它是研究 驱动蛋白力产生机制的关键兀件(见图1A)不同驱动蛋白家族的颈链结构有所 不同，大约由14〜18个氨基酸组成，连接着a6和a7,其中a6是马达结构域的 最后一个a螺旋，a7是缠绕螺旋的第一个a螺旋Hariharan［11］等通过晶体结构 序列分析和二级结构的预测分析两种方法对Kinesin-l、Kinesin-2、Ki-nesin-3、 Kinesin-5和Kinesin-7五家族中颈链的氨基酸组成进行了分析通过比较上述5 个家族中驱动蛋白的晶体结构确定，以a6 C-端的赖氨酸为颈链的起点，Kinesin-l 的颈链南14个氨基酸组成，Kinesin-2和Kinesin-3家族的颈链由17个氨基酸组 成，Kinesin-5和Kinesin-7家族的颈链由18个氨基酸组成，见表l。

尽管许多驱 动蛋白家族的晶体结构已经被解析出来，但是文献中对于颈链的起点和终点却没 有一致的观点，也就是说哪里作为a6的终点，哪里又是a7的起点在文献中没有 得到统一上述颈链的起始位置仅是一种观点或参考研究表明驱动蛋白颈链区 域与马达N端的卩o发生相互作用，使驱动蛋白颈链部分与卩o形成有序的卩折 叠片构象，帮助颈链向马达头部对接［12］值得一提的是，研究发现颈链较长的 家族，运动性反而较差，这虽然不是绝对的规律，但驱动蛋白家族在一定程度上 有这方面的倾向［11］3颈链的功能驱动蛋白的功能主要有两个方面首先驱动蛋白能够抵抗一定的阻力沿微管 向前行走，行走时处在前面的头部需要产生足够的力使后面的头部从微管蛋白上 分离，同时拖动负载向前运动这个过程中驱动蛋白的颈链与马达结构域的对接 是驱动蛋白力产生机制的关键所在这一过程已经被很多学者所关注,Rice等［14］ 在1999年提出，驱动蛋白上连结马达结构域和马达茎区的颈链在马达沿微管向 前的运动上起重要的作用Case等［15］在2000年提出，对驱动蛋白颈链做突变， 会导致马达行动能力的丧失，并且马达头部与微管结合和与ATP结合的能力都 受到影响。

Sindelar等［16］在2002年的研究成果显示，在马达头部结合了 ATP 的状态下颈链像“拉链”一样与马达头部对接的过程是使驱动蛋白前进的力产生 的步骤2008年Karplus小组［17］对驱动蛋白的颈链对接过程进行的分子动力学 模拟揭示出，马达头部N-端的卩0对颈链对接的过程是非常重要的驱动蛋白颈 链对接过程的拉链区域主要包括卩0、卩3、Ll0、a4、L13、a6、卩9和卩10按照 2KIN的氨基酸编号，主要涉及到的氨基酸序列为,P0上Asp3到Ile9,卩3上Gly77 到 Asn79，Ll0 上 Glu221 到 Ser225，a4 上 Ile266 到 Ala270，L13 上 Ser291 到 Arg297和颈链上面的Lys325到Thr338［18］其次，驱动蛋白可以在微管上连续 行走上百步，学者认为驱动蛋白只有采用门控机制才能保证驱动蛋白在高效运动 过程中不出现偏差2011年，Clancy等对驱动蛋白的门控机制进行了详细的讨 论他们通过对颈链部分氨基酸进行突变，并应用单分子光学捕捉以及荧光技术 对驱动蛋白进行观测，发现驱动蛋白颈链的结构及取向对它的门控机制有着重要 的调节作用［19］。

3.1与颈链相关的弱键相互作用颈链与马达结构域的对接使驱动蛋白产生了前进的动力，其过程是通过颈链 氨基酸和马达头部氨基酸间弱相互作用的相互配合实现的在颈链拉链的对接过 程中起作用的主要有氢键、盐键和疏水相互作用3.1.1氢键氢键是典型的弱键，在蛋白质的形成和功能方面起着重要的作用通常氢键 具有X-H...A的形式，其中虚线代表氢键，实线代表化学键X和A是两个电 负性较高的原子（如氮原子和氧原子），X与H之间已经产生了化学键氢键的 键能通常比热运动的能量高一个量级，比化学键低一个量级，典型的氢键键能大 多在20〜40kJ/mol之间，键长在1.2埃和3.2埃之间，键角人于90°［20］，见表2 3.1.2疏水相互作用疏水相互作用主要和系统熵的变化有关系当两个疏水基团之间的距离小于 一定程度时，由于结合的水分子的脱离引起熵的增加，由熵增加得到的自由能降 低促使两个疏水基团之间的距离变得更近发生疏水相互作用时，两个疏水基团之间的距离约为3.6埃到7.8埃之间［21］3.1.3盐键盐键又称盐桥或离子键，是蛋白质分子中带有正、负电荷的侧链基团互相接 近，通过静电吸引而形成的，如羧基和氨基、胍基、咪唑基等基团之间的作用力。

盐键的吸引力与电荷电量的乘积成正比，与荷电集团间的距离平方成反比在溶 液中此吸引力随周围介质的介电常数增大而降低盐键的形成不仅是静电吸引而 且也是熵增加的过程升高温度时盐桥的稳定性增加，盐键因加入非极性溶剂而 加强，加入盐类而减弱在水环境下，通常两个带相反电荷的集团之间的距离小 于18埃［22］为盐键的有效作用距离这几种弱相互作用中，氢键的力程非常短（一般小于3.2埃），疏水相互作 用的力程适中（大约为7埃），而带电氨基酸之间的库仑相互作用是一个长程相 互作用（大约为18埃）驱动蛋白正是通过氨基酸的特定排列而有效利用了弱键 相互作用的这些性质特别应该指出的是，在颈链的区域，疏水相互作用和氢键 相互作用相互增强当一个氢键暴露在水环境中时，由于受到水分子的攻击，氢 键并不稳定，不会持续很长的时间但是，在氢键周围疏水区域的形成，可以保 护蛋白质内部的氢键，使其强度和寿命都得到增加同时，氢键能使两个疏水基 团之间的距离更近，也增强了疏水基团之间的疏水相互作用3.2驱动蛋白颈链对接机制分析在驱动蛋白的周期性运动中，颈链对整个驱动蛋白的运动有着极为重要的影 响了解颈链部分与马达头部的对接过程是揭开驱动蛋白运动机制的关键之处。

颈链可以分为三个部分，第一部分是颈链的前3个氨基酸（Lys325、Thr326和 Ile327）,第二部分是卩9,第三部分是卩10颈链与马达头部对接过程正是按照上 述三个部分依次对接完成的对接的第一步是颈链的前3个氨基酸在a6的末端 形成半螺旋结构，这启动了整个的对接过程半螺旋结构的形成过程中，由I1e327 与马达头部疏水氨基酸形成的疏水力起到了重要作用；对接的第二步是卩9的对 接Hwang等［12］通过分子动力学模拟和实验的方法研究了颈链与马达头部的相 互作用，发现马达头部N端的卩o与颈链部分的卩9会形成“cover-neck bundle” （CNB）结构由于CNB结构本身的弯曲作用，带动着卩9实现了向马达头部 的对接类似的结构在Ki-nesin-5家族成员Eg5中也可以观察到［23］；第三步是 卩10的对接，对接过程中卩10上Asn334氨基酸起着重要的作用Hwang等的工 作中将Asn334氨基酸的作用比作“ASN latch”，它的主要作用是与马达头部的 Gly77氨基酸形成骨架氢键这个骨架氢键的作用很强，在Hwang等的模拟中 用了大于400pN的力才在Ins之内把这个氢键打开。

卩10上的Glu336氨基酸与 马达头部的Lys223氨基酸之间也形成了氢键和盐键，但是，与“ASNlatch”相比 这两个氨基酸之间的相互作用却很容易被破坏为什么“ASN latch”会产生如此强 的相互作用仍需要进一步的分析3.3水分子在驱动蛋白对接过程中的作用分析颈链的对接过程是在复杂的环境下自动进行的机械过程对接过程中所有涉 及到的氢键、盐键和疏水相互作用以非常精巧的方式相互配合，来完成颈链与马 达头部的对接在对接过程中水分子起着非常重要的作用为了研究水分子在拉 链区域的作用，我们以驱动蛋白2KIN的晶体结构为基础建立了分子动力学模型 [24]通过Insightll进行结构优化，分子力场为AMBER力场，结构优化的结果 中与颈链的拉链区有关的部分结构如图1B所示图中以棍状模式显示了颈链区 域所有的氨基酸，水分子以球棍模式显示，黑色虚线表示氢键图1B中显示的 水分子均与氨基酸直接或间接形成了氢键，颈链以黑线表示，它包括了前3个氨 基酸形成的半螺旋、卩9和卩10模拟结果表明拉链区域除了包括颈链外，还包括 马达头部的卩0以及卩7、卩3、卩8和卩4的部分氨基酸颈链区域与马达头部共形 成9个骨架氢键，这些氢键在颈链对接过程中起着关键作用。

氢键的形成需要氢 键受体和氢键供体的距离满足一定的距离要求（一般小于3.2埃），但颈链氨基 酸与马达头部的一些氨基酸的距离并没有满足这一点，水分子对它们间的氢键形 成起到了很大的作用从图1B中可以看出，水分子与颈链区域的氨基酸直接或 间接形成了许多氢键，在拉链区域大约有20个束缚水分子，我们把这20个水分 子分成3组进行分析第1组包含4个水分子（W14、W77、W79、W190）,这些水分子直接与骨 架原子形成氢键，而且这些氢键像骨架氢键一样重要，它们的形成对颈链与马达 头部的对接以及免受外围水分子的攻击方面起着重要的作用这组中最特殊的一 个水分子是W14，它与蛋白骨架上的两个原子形成两个氢键，同时与其他侧链 分子形成两个氢键W14正好处于颈链的卩9和卩10之间，当颈链的前一部分与 马达对接完成后，水分子与颈链上的氨基酸形成氢键，帮助颈链的其他部分达到 正确的位点，完成后面的颈链与头部的对接过程；第2组包含着水分子（W150、 W153、W182、W192），这些水分子与拉链区域两侧的氨基酸形成氢键其中 W153与W14 一样，是这组水分子中最重要的水分子，它与颈链上的VAL333 以及卩3上的TYR78形成氢键。

氢键的形成拉近了拉链区域两端的距离，促使了 骨架氢键的形成需要说明的是，由于这组氢键暴露在外围水分子中，所以这组 氢键没有第一组水分子形成的氢键稳定；第3组包括除了第1组和第2组之外的 其他水分子，这些水分子与颈链间接形成氢键，通过这种方式有助于调整在拉链 区域氨基酸残基的位置和方向，使它们能够更有效地形成氢键或产生其它相互作 用。