科學家解碼微管精準切割機制

細胞骨架為細胞生命活動的必需，發揮支持、運輸和分配功能。在細胞分裂時，細胞骨架負責將遺傳物質準確無誤地平均分配給兩個子細胞；在細胞生長時，細胞骨架作為橋樑支架與細胞內高速公路統攬各種細胞器及囊泡的運輸與分布。在植物細胞中，細胞骨架中的微管骨架調控細胞壁纖維素的合成及沉積，在植物細胞形態建成中發揮重要作用。微管骨架具有高度動態特性，不斷進行活躍的重構，以響應時刻變化的發育和外界環境（包括生物和非生物刺激）信號。在不同形式微管陣列的動態轉換過程中，微管切割（Microtubule Severing）是中心樞紐。微管切割作用由 Katanin 蛋白複合體完成，該複合體包含一個 60kD 的具有 ATPase 活性的催化亞基 p60 和一個 80kD 的包含 WD-40 重複基序的調節亞基p80。體外實驗顯示，p60 可以在單根微管的任一位點進行切割，呈隨機性。

微管切割異常將造成人類和動物的老年痴獃等神經退行性病變、小腦綜合征以及生殖障礙等疾病。由於神經元和紡錘體微管排布過密，無法實現活細胞顯微觀察微管切割事件，阻礙了活細胞中研究 Katanin 複合體對微管切割的精細調控機制。在植物研究領域，科學家最先鑒定了擬南芥 Katanin p60 編碼基因 KTN1 的突變體，發現其細胞伸長及細胞壁合成異常，植物矮小，莖稈脆化，對光信號、激素信號及機械壓力的響應均出現異常。研究發現，KTN1 介導的微管切割總是特異地發生在微管交叉（Microtubule Crossovers）位點以及新生微管成核（Microtubule Nucleation）位點，並在細胞周質微管受到光或者激素信號而發生動態重構時發揮最關鍵的作用。因此，近年來 KTN1 已成為植物細胞生物學研究領域的明星蛋白（見圖1）。上述研究發現表明，不同於體外實驗中隨機的微管切割，在體內活細胞中微管切割存在精確的調控。但微管的精準切割機制一直是個謎，Katanin p60/p80 複合體的具體組成及結構尚不清楚。

中國科學院微生物研究所植物基因組學國家重點實驗室孔照勝研究組與中科院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組合作，利用遺傳學、細胞生物學和生物化學等手段，解碼了微管的精準切割機制。研究人員揭示了擬南芥中 Katanin p80 亞基 KTN80 和 p60 亞基 KTN1 呈異源二聚體形式存在於細胞質中，當發生微管切割作用時 KTN80 具有精確制導作用，可將 KTN1-KTN80 異源二聚體導向至微管切割位點，而p60亞基 KTN1介導 KTN1-KTN80 異源二聚體的六聚體化，最終形成十二聚體的環狀超複合體，並識別特異的微管構象、完成切割（見圖2）。研究首次在活細胞水平揭示了微管的精準切割機制，也為精確操控微管切割提供了新思路及藥物設計新靶標。

相關研究結果發表在The EMBO Journal上。該研究得到了國家自然基金，中科院「百人計劃」啟動基金及植物基因組學國家重點實驗室自主研究課題經費的資助。

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來源：中國科學院微生物研究所

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