全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 9期
微管骨架在丝状真菌极性生长中的作用
梁蒙 陈志玲
(首都师范大学生命科学学院,北京 100048)
摘 要: 细胞极性的确立是真核生物发育过程中的关键环节, 丝状真菌作为微生物具有典型的极性生长模式, 微管骨
架在极性生长中具有重要的作用。对近年来微管骨架在丝状真菌极性生长中的作用进行了综述。
关键词: 丝状真菌 微管骨架 极性生长
Effect ofM icrotubules on PolarGrowth of Filamentous Fungi
L iangM eng Chen Zhiling
(College of Life Sciences, Cap italN ormal University, B eijing 100048)
Abstrac:t Estab lishm ent and m a in tenance o f cell po lar ity are cr itica l events fo r d ifferen tia tion, pro liferation and m o rphogene
sis in eukaryote. P loa r g row th of filam entous fung i serv es as a typ ica l m odel fo r po lar g row th. Fur the rm ore, it has been w ide ly ac
cep ted that m icrotubu le s p lay key ro les in cell po lar ity. The presen t pape r rev iew s the ro le of m icrotubu les in po lar grow th of fila
m entous fung .i
Key words: F ilam entous fung i M icro tubu les Polar grow th
收稿日期: 20100303
基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( 30871231)
作者简介:梁蒙,女,硕士生,研究方向:细胞骨架; Ema i:l lm tc84@ 163. com
通讯作者:陈志玲,副研究员,硕士生导师,研究方向:细胞骨架; Em ai:l chen zh@l m ai.l cnu. edu. cn
细胞极性的确立和维持在真核生物的形态发
生过程中发挥着至关重要的作用。极性生长的模
式在生物界中普遍存在, 如: 丝状真菌的菌丝、苔
藓及蕨的原丝体、植物的花粉管和根毛、动物的神
经细胞等。丝状真菌作为微生物, 相对于植物和
动物细胞来说,遗传背景相对简单,并且具有易培
养、生长快、易杂交等优点, 因此是研究极性生长
的理想的模式生物。微管骨架作为细胞骨架的主
要成员,在细胞的极性生长中扮演着关键的角色。
对近年来微管骨架在丝状真菌极性生长中的研究
进展进行综述。
1 微管骨架在菌丝生长中的分布及动态
组装
真菌的分生孢子萌发后,萌发管沿单一方向连
续生长 顶端生长,发育成为成熟的菌丝,在此过
程中伴随着细胞核的分裂, 细胞质并不同步分裂。
大多数真菌中,连续的几次核分裂之后,细胞质才发
生一次分裂,在远离菌丝顶端的一侧形成隔,顶端细
胞中的多个细胞核以非同步化的方式继续分裂, 在
成熟的菌丝中一个细胞内通常存在多个细胞核。关
于极性生长的机制,目前被关注的主要包括:细胞骨
架的组织与功能、细胞壁的构建及其性质的动态变
化、钙离子参与的调控系统等 [ 1- 3]。可见, 极性的
确立和维持受多种复杂因子的协同调节,其中微管
骨架是最关键的调控因子之一。微管骨架作为细
胞骨架的重要成员, 在细胞分裂、细胞生长等多项
生理活动中具有重要的功能, 而微管骨架的动态
组装是其执行功能的前提。报道表明, 微管骨架
在植物细胞的有丝分裂周期中, 随细胞周期的进
程发生有规律的变化, 从间期的周质微管列阵到
早前期微管带, 再从中期的纺锤体微管列阵到末
期的成膜体微管列阵 [ 4]。间期的菌丝顶端细胞
中,微管骨架以周质微管列阵形式存在, 彼此之间
平行排列,与菌丝的伸长轴方向一致, 随着细胞核
从间期进入分裂期, 间期周质微管列阵解聚,微管
蛋白分子组装成星状的纺锤体微管列阵, 随后沿
2010年第 9期 梁蒙等: 微管骨架在丝状真菌极性生长中的作用
细胞伸长轴方向扩展, 牵引染色体向两极移动。
随着分裂期的完成, 细胞质内的微管列阵重新组
装。当利用微管解聚药物苯菌灵或灰黄霉素处理
菌丝时,细胞中的微管列阵很快被解聚, 在菌丝近
顶端区域形成不规则的聚集体, 菌丝虽然仍能够
生长,但是生长速率明显减慢, 如果去掉微管解聚
剂, 细胞内的微管列阵重新恢复组装,细胞的生长
速率基本恢复正常。微丝专一性药物 LatA处理解
聚细胞内的微丝骨架后, 细胞的伸长生长停止, 并
且顶端出现凸起 [ 5]。这些结果表明, 同是细胞骨
架的重要成员, 微管骨架和微丝骨架以不同的方
式在细胞的极性生长中发挥作用。
2 微管马达蛋白与极性生长
真菌菌丝以极性生长为特征,一旦极性形成,便
以惊人的速度延伸。在快速的生长过程中需要细胞
壁及细胞膜前体物质的不断合成和运输、细胞器以
及小泡类物质的运输等, 在菌丝顶端部位有一个特
殊结构 ! Spitzenkrper∀被认为是用于顶端生长的
!小泡贮存中心 ( vesic le supply center ) ∀, 虽然对
Spitzenkrper的结构及组装机制目前还不清楚, 但
一般认为微管骨架负责将小泡类等物质经过长距离
运输至 Sp itzenkrper, 微丝骨架负责小泡类等物质
从 Spitzenkrper短距离运输至质膜部位 [ 6, 7]。基于
微管骨架的运输主要是依靠两类分别属于驱动蛋白
( kinesin)和动力蛋白 ( dynein)超家族的马达蛋白来
完成的,马达蛋白在微管的协调下通过水解 ATP将
化学能转变成机械能, 从而产生沿着微管的定向运
动 [ 8]。其中驱动蛋白向微管的正端移动即沿着微
管快速聚合的方向移动又被称作正向马达 [ 6, 9] , 动
力蛋白则称作负向马达 [ 10, 11]。
2. 1 驱动蛋白与极性生长
驱动蛋白最早是 1985年 V ale[ 12]在分析来源
于乌贼脑的 ATP酶的体外运动特性时发现的, 随
后通过遗传学和分子生物学的方法分离获得了大
量的驱动蛋白家族成员。通过对所有已发现的驱
动蛋白马达域序列进化分析, 并结合该结构域以
外序列,该家族蛋白被分为 15个亚家族 [ 13] : K ine
sin1, k inesin2, K inesin3##K inesin14及 O rphan
kinesins。在结构上, 它们一般分为马达域、超螺旋
区和尾部区 [ 14]。马达域在所有驱动蛋白中其氨基
酸序列均高度保守, 它包含了一个微管结合位点
和一个核苷酸结合位点。通过这些结合位点, 它
们与微管结合并通过水解 ATP获得能量, 同时利
用 ATP的水解过程调控马达域和微管之间的结合
活性。而在马达域之外的区域, 驱动蛋白有着高
度变化的氨基酸序列, 甚至一些亚家族有着自己
特异的结构域。许多驱动蛋白含有超螺旋区, 通
过超螺旋结构, 可形成同二聚体、异二聚体等结
构,有些驱动蛋白不含超螺旋区, 它们以单体形式
参与生命活动。对所有驱动蛋白来说, 尾部区序
列不保守, 例如, 构巢曲霉 (A sp erg illus nidu lans)中
的 k ipA的马达区域包含 ATP和微管结合位点, 与
裂殖酵母的 Tea2p马达区同源性达到 47% , 而两
个蛋白全长序列同一性仅有 29% [ 15 ] , 一般认为
通过不同的尾部区, 驱动蛋白结合着不同的 !货
物 ∀,包括内质网、高尔基体、线粒体等 , 但是对不
同驱动蛋白亚家族成员的尾部区功能研究报道
很少。
为了分析驱动蛋白在极性生长中的功能, Seiler
等 [ 6]通过点突变技术获得了脉胞菌 kin1 ( kinesin1
亚家族 )突变株, 对突变株菌丝表型进行分析后发
现, 菌丝的延伸速率受到明显抑制、菌丝的分枝频率
增加,并且 Sp itzenkrper不能正常形成, 因此推测
k inesin1的功能缺失影响了小泡类等物质的运输,
进而造成新的细胞膜及壁成分不协调地插入细胞
表面。K onzack等 [ 15 ]以构巢曲霉为材料, 构建了
缺失 k inesin基因的突变株 kipA ( k inesin7亚家
族 ) , 菌丝生长极性改变, 呈弯曲状向前延伸, 分枝
模式未发生明显改变, 这种表型与微管解聚药物
处理后菌丝的表型非常相似, 进一步分析发现
kipA突变株对微管解聚药物更为敏感,暗示 k ipA
除了参与极性生长以外, 还具有稳定微管的作用。
由此可见, 不同的驱动蛋白亚家族成员在功能上
有所不同, 而引起功能差异的原因很可能与其尾
部区差异密切相关。
此外, 在黑粉菌 ( Ustilago mayd is )中, k inesin1
单突变以及 myosin5单基因突变均可使菌丝维持极
性生长,但生长速率较低,而 kinesin1和 myosin5双
突变的黑粉菌中菌丝极性生长能力丧失 [ 16] , 表明基
于微管骨架和微丝骨架的运输共同协调维持菌丝的
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极性生长,但二者相互作用的具体机制还有待于进
一步研究。
2. 2 动力蛋白与极性生长
动力蛋白因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名,
与动力蛋白激活蛋白 dynactin协同行使功能, 是较
大的蛋白质复合体, 它由重链 ( dyne in heavy chain,
DHC )、中间链 ( dynein intermed iate cha in, DIC )、中
轻链 ( dynein light in termed iate cha in, DLIC )以及轻
链 ( dynein light chain, DLC )组成 [ 17]。重链的末端形
成球状的头部,依靠微管结合位点与微管相连接,轻
链介导与 !货物∀的相互识别。
通过遗传学等手段分析发现,在丝状真菌中,动
力蛋白参与了细胞核的迁移、顶端囊泡的运输等生
理过程 [ 18, 19 ]。 Inoue等 [ 10]通过以红球丛赤壳 (N ec
tria haematococca )为材料, 向编码动力蛋白重链的
基因中插入选择性标记基因 hphB构建突变体, 破
坏其马达功能,结果发现动力蛋白基因突变后不致
死,但是其单菌落的生长速率明显降低,仅为野生型
的 33%,并且从外形上来看, 整个菌落密集紧凑,由
螺旋形和高度分支的菌丝组成, 菌丝顶端的
Spitzenkrper明显减小, 细胞核的分布几乎全部集
中在隔的附近。在粗糙脉孢菌 (N eurospora crassa )
中, R iquelme等 [ 20]发现 Sp itzenkrper的大小与菌丝
的生长速率有直接的关系,相差显微镜下观察动力
蛋白重链基因突变后的 ro1突变体, Sp itzenkrper
不明显或很难检测到, 只有生长速度相对较快的
菌丝中才能检测到 Spitzenkrper, 并且与野生型相
比, 体积明显减小, 菌丝表现为生长速率降低, 出
现密集的弯曲, 失去了生长的极性。由此可见, 动
力蛋白在菌丝的极性生长中具有重要的作用。动
力蛋白作为大的蛋白质复合体, 其发挥作用需要
各亚基之间的相互配合协调。在动力蛋白中轻链
基因缺失的构巢曲霉突变体中, 重链与中间链的
结合减弱, 而且重链不能聚集在微管的正端, 进一
步证实中轻链直接与重链相互作用, 并且与中间
链虽然都结合在重链的 N末端但却是结合在不同
的部位 [ 21]。
3 展望
细胞极性的确立是真核生物生长发育过程中最
关键的一个特性。丝状真菌的极性生长可以说是非
常复杂的生理过程,受到许多因素直接或间接的影
响, 如: 细胞骨架、信号转导、胞内物质的运输等, 其
中微管骨架是影响细胞极性生长的关键因素之一。
微管骨架作为细胞骨架的重要成员, 具有动力学不
稳定性,在细胞内始终处于聚合解聚的动态平衡过
程中,并且作为 !轨道 ∀与其马达蛋白完成运输 !货
物∀的功能。目前虽然对微管骨架在极性生长中的
作用研究取得了一些进展, 但是对其作用的机制还
不是很清楚。例如,同是细胞骨架的成员,微管骨架
与微丝骨架如何相互作用维持极性生长;不同的驱
动蛋白家族成员运输哪些不同的 !货物 ∀; 其结合
!货物∀的关键区域的位置;并寻找驱动蛋白与 !货
物∀相互作用中的一些相关蛋白等, 进一步揭示通
过驱动蛋白网络调控极性生长的机制,都将是以后
的研究方向。
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