全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 2期
2008年 4月
Vol. 20, No. 2
Apr., 2008
微管解聚相关蛋白质Kinesin-13、Stathmin和Katanin
吴作基，蒋蕾蕾，王春光*
(同济大学蛋白质研究所，上海 200092)
摘　要：微管是细胞骨架的主要成份，参与细胞内物质的运输与细胞形态的维持，还与有丝分裂和减
数分裂等生命活动密切相关。大多数微管都表现出动力学的不稳定性，处于动态的聚合和解聚及之间
的随机转换状态。Kinesin-13、Stathmin和 Katanin是三类能够解聚微管的蛋白质，在纺锤体组装、染
色体分离和神经元发育过程中起重要作用。本文主要对这三类微管解聚相关蛋白质的结构、功能、解
聚机制进行了简要介绍，并对它们的解聚机制进行了比较。
关键词：微管蛋白；Kinesin-13；Stathmin；Katanin
中图分类号：Q 24 5；Q 25 3；Q 2 8　　文献标识码：A
Microtubule regulatory proteins Kinesin-13, Stathmin and Katanin
WU Zuo-ji, JIANG Lei-lei, WANG Chun-guang*
(Institute of Protein Research, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Microtubules, an important cytoskeleton, play essential roles in the maintenance of cytomorphology
and cellular inner structure, and act as tracks on which motor proteins transport cargoes. Most microtubules
exhibit dynamic instability-a behavior where polymerizing and depolymerizing microtubules coexist in the same
population, infrequently interconverting between these two states. Kinesin-13, Stathmin and Katanin can
depolymerize microtubules and have critical functions in spindle assembly, chromosome segregation and
neuronal development. Here, several aspects of kinesin-13, stathmin and katanin are reviewed briefly, including
their structures, functions and the mechanisms of microtubule depolymerization. The depolymerizing mecha-
nisms of these three proteins are also compared.
Key words: tubulin; Kinesin-13; Stathmin; Katanin
文章编号 ：1004-0374(2008)02-0268-07
收稿日期：2008-01-03；修回日期：2008-01-24
基金项目：国家自然科学基金(30700125)
*通讯作者：Email：chunguangwang@mail.tongji.edu.cn
1　微管动力学概述
微管(microtubule, MT)是细胞骨架的主要成分之
一，在细胞内主要参与细胞形态的维持、细胞内部
结构有序性的保持、充当分子马达分选和运输细胞
组分的运动轨道[1]，而且还与有丝分裂和减数分裂
的过程密切相关[2]。
微管是由 12－ 15条原纤维(protofilament)构成
的中空管状结构，直径 22－ 25 nm (图 1)。每一
条原纤维由 α和 β两个亚基组成的微管蛋白异二聚
体纵向排列而成。微管蛋白的 α与 β亚基在化学性
质上极为相似，两者的相对分子质量均为 50 000，
所含氨基酸残基数分别为 450个和 445个[3]。微管
蛋白每个亚基上都含有鸟嘌呤核苷酸的结合位点，
其中 α微管蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，
是 α微管蛋白的固有组成部分；β微管蛋白结合的
GTP可发生水解，生成的GDP可交换为GTP。另
外，微管蛋白上还有秋水仙素(colchicine)和长春花
碱(vinblastine)的结合位点。微管蛋白在聚合成微管
269第2期 吴作基，等：微管解聚相关蛋白质 Kinesin-13、Stathmin和Katanin
的过程中，最末端是 β亚基的一端聚合速度快，又
称为正极(plus end); 末端是 α亚基的另一端聚合速
度慢，又称为负极(minus end)。微管蛋白的聚合
受到微管蛋白的浓度、pH 值和温度等的影响。通
常，高温(37℃)有利于微管的聚合，而低温(0℃)有
利于微管的解聚。同时大多数微管都表现出动力学
的不稳定性，处于动态的聚合和解聚及两者之间随
机转换的状态[4]。
2　微管解聚相关蛋白质 Kinesin-13，Stathmin和
Katanin的结构与功能特征
2.1　Kinesin-13　驱动蛋白(Kinesin)发现于1985年，
是真核细胞中一类保守的具有ATPase活性的微管马
达蛋白(microtubule-based motor protein)。它们可利
用水解ATP产生的能量沿微管运动，参与细胞内多
种重要的生命活动，包括膜性细胞器、蛋白质、
mRNA的运输等。研究还表明，某些驱动蛋白在细
胞的有丝分裂过程中起重要作用[2,5]。
Kinesin-13是驱动蛋白家族中的一类特殊的蛋白
质，属于M型驱动蛋白，具有依赖 ATP的微管解
聚活性。Kinesin-13驱动蛋白含有N端球状结构域、
颈区(neck)、马达结构域(motor)和C端结构域 (图 2)。
N端球状结构域主要参与Kinesin-13驱动蛋白的亚细
胞定位[6]。颈区位于马达结构域的 N 端，是 60个
氨基酸残基组成的种属特异性的α-螺旋结构，其构
象变化在微管解聚过程中具有重要功能。Kinesin-13
驱动蛋白的马达结构域位于多肽链的中间，在驱动
蛋白超家族中是高度保守的，马达结构域中含有MT
和ATP的结合位点。C端结构域主要参与Kinesin-13
驱动蛋白的二聚化以及ATP酶活性的调节[1,7]。研究
表明，“neck+motor”结构是Kinesin-13驱动蛋白
发挥微管解聚活性所必需的[7,8]，其中带正电荷的颈
区非常重要[9 ]。
在哺乳动物中，中间型驱动蛋白可以分为 3个
亚家族：Kif2A、Kif2B和Kif2C[5]。这些成员主要
在有丝分裂中发挥重要作用，包括纺锤体的组装和
染色体的分离等。Kif2A亚家族成员除了能在体外
催化解聚微管，在胞内参与双极纺锤体的组装和染
色体运动外[10]，还在神经细胞的发育过程中发挥解
聚作用[7,10]。Kif2B亚家族成员的功能目前研究得还
不是很多，但最近的研究发现，Kif2B对于纺锤体
组装、染色体分离和胞质动力学是必需的[11]。缺失
Kif2B的细胞主要形成单极纺锤体或者形成无规则的
纺锤体，虽然染色体表现出典型的着丝粒 -微管吸
附，但是染色体运动的速率却有显著降低。Kif2C
亚家族成员主要在有丝分裂和减数分裂过程中参与
微管的解聚。该亚家族成员主要有XKCM1(Xenopus
KIF2C)、MCAK(mitotic centromere-associated
kinesin)和MmKif2C(mouse mKif2C)等。MCAK是该
亚家族中研究最深入的成员，主要参与双极纺锤体
的组装和染色体的分离。在有丝分裂的中期和后
期，MCAK的突变或缺失都会导致异常纺锤体的形
成和染色体的错配及滞后[12]。
2.2　Stathmin　Stathmin是一个由149个氨基酸残基
组成的胞质磷蛋白，相对分子质量为 17 000。 它
是 Feurestein等[13]在诱导HL60(Human promyeloeytie
leukemia)细胞至终末期分化阶段时首次发现的。其
后，Belmont和Mitchison[14]于 1996年从 Xenopus
oocyte中纯化得到促进微管解聚的 Stathmin。由于
研究组的不同，Stathmin具有不同的名称：p17、
p18、p19、19k、metablastin、oncoprotein 18、LAP18、
Op18/stathmin[15]。
Stathmin家族还包括SCG10、SCLIP和RB3[16-19]。
该家族的所有成员都具有SLD样结构域(stathmin like
domains)[20]，此结构域具有调节微管动力学的作用。
Stathmin家族的 SLD结构域可以分为三个部
分：N端结构域(4－ 28 aa)，连接结构域(29－ 45
图1　微管
白色：α 微管蛋白，蓝色：β 微管蛋白
图2　Kinesin-13驱动蛋白的结构
270 生命科学 第20卷
aa)和 C端 α-螺旋结构域(46－ 145 aa)(图 3)[21]。N
端结构域能够加速微管的解聚并抑制微管的纵向延
伸。C端结构域能够与两个微管蛋白异二聚体形成
稳定的三聚复合物(T2SLD)，具有抑制微管聚合的作
用 。
磷酸化和去磷酸化作用是调节 Stathmin解聚微
管活性的关键。Stathmin肽链上第 16、25、38及
63位为丝氨酸残基，是该蛋白质的磷酸化位点，与
其功能的发挥密切相关[22-26]。在有丝分裂的 G1/S
期，Stathmin磷酸化程度低，在 G2/M期，磷酸
化作用首先发生于 Stathmin上的 Ser25和 Ser38，然
后 Ser16和 Ser63被磷酸化。Ser1、Ser63的磷酸
化导致 Stathmin的螺旋结构发生改变，最终导致
Stathmin与微管蛋白二聚体之间亲和力的下降。
Stathmin与细胞的增殖有关。不论在正常细胞
(新生组织、睾丸细胞、造血细胞和上皮细胞)还是
恶性细胞(癌细胞、白血病细胞)，Stathmin的高度
表达都反映了这一现象[15]。
Stathmin还在细胞周期中起到重要作用。研究
表明，K 5 6 2 红白血病细胞进入有丝分裂期时，
Stathmin的磷酸化程度增高[27]，其磷酸化程度受
p34cdc2 激酶(具有调控真核细胞进入有丝分裂期)影
响。当细胞进入有丝分裂期，Stathmin的解聚微管
活性被磷酸化所关闭，此时允许微管进入聚合状态
直到形成纺锤体，直到有丝分裂后期染色体往两极
移动后，Stathmin才被去磷酸化解除关闭状态，恢
复原来的解聚微管活性[28]。
在神经系统中，Stathmin作为一种细胞信号转
导分子，与神经元细胞以及神经系统的发育密切相
关，主要通过调控微管的解聚过程来参与损伤细胞
的移除。最近报道表明：Stathmin家族蛋白质对
Drosophila的神经系统发育起了关键性的作用[29]。
2.3　Katanin　Katanin是一类能够催化ATP水解和
剪切微管的蛋白质[30]，它与 Spastin[31](另一种具有
切断微管活性的蛋白质)一样，都具有同源的AAA
(ATPases associated with different cellular activities) 结
构域，属于 AAA 蛋白超家族。
Katanin是由相对分子质量为 60 000和 80 000
的两个亚基所组成的异二聚体。根据Hartman等[32]
的报道，p60亚基具有催化ATP水解和剪切微管的
活性，但剪切活性比完整的Katanin活性低，p60亚
基可以从微管的负极剪切微管但不是负极末端，也
可以从微管的正极剪切微管。而 p80亚基没有以上
所提及的功能，其主要作用是将Katanin定位在中心
体区域。
利用旋转投影电子显微镜与荧光共振能量转移
检测系统对 p60和 p60/p80进行的分析结果表明，
p60在 ATP与微管存在的情况下出现了六元环结
构，此结构是AAA蛋白超家族行使各种功能的主要
结构[32-34]。但是这个六元环结构与微管的准确结合
位点还不是很清楚。根据McNally[35]报道，微管的
外周、微管的内腔或有缺陷的微管晶格内微管蛋白
二聚体的侧面都可能是六元环与微管的结合位点。
同时，六元环结构需要利用ATP水解来断开微管蛋
白之间的连接。
体内实验发现，Katanin主要在有丝分裂期发挥
作用，在细胞间期则不发挥任何功能。在细胞间
期，组成细胞骨架的微管随机位于细胞质中。当细
胞进入分裂期，复制后的两个中心体分别向细胞的
两端运动，并使细胞拉长，同时微管成束并有序排
列，这就确立了纺锤体的两极。从中心体微管解聚
到纺锤体的形成过程中， Katanin一直定位在细胞分
裂期的中心体区域上，与 γ-tubulin处于不同的位置
上。在 cdc2-kinase的刺激下，通过自身的ATP催
化活性，利用水解产生的能量，在中心体区域的着
丝点微管负极剪切微管，来调控中期着丝点微管的
变化[36]。在细胞后期，借助Katanin对纺锤体正极
微管进行剪切，破环了稳定纺锤体正极微管的帽子
结构。同时，处于着丝点上的 Kinesin-13，利用
自身具有解聚微管的活性促使暴露在切口部分的微
管发生解聚。在这两个微管解聚相关蛋白质的共同作
用下，实现了染色体在细胞后期的分离过程(图 4)[37]。
3　Kinesin-13、Stathmin和Katanin的微管解聚的机制
3.1　Kinesin-13的解聚机制模型　在对Kinesin-13驱
动蛋白相关研究的基础上，出现了两个关于Kinesin-
13的微管解聚机制模型。在第一个模型中(图 5A)，
结合有ADP的Kinesin-13驱动蛋白首先结合到微管
上，接着ATP交换ADP，然后结合ATP的Kinesin-13
图3　 Stathmin-like domains(SLD)的结构图
271第2期 吴作基，等：微管解聚相关蛋白质 Kinesin-13、Stathmin和Katanin
驱动蛋白通过一维扩散靶向到微管的末端，并导致
原纤维的末端发生构象改变。这一步骤在微管解聚
过程中是非常关键的。接着发生ATP 水解和磷酸释
放，使复合物从微管末端上解离下来并使Kinesin-13
驱动蛋白从复合物中释放出来。在第二个模型中
(图 5B)，只有微管蛋白异二聚体从原纤维末端解离
下来，而Kinesin-13驱动蛋白仍然留在原纤维上继
续释放下一个微管蛋白异二聚体。这一模型很好地
解释了Kinesin-13驱动蛋白工作的连续性[38]。
3.2　Stathmin作用机制模型　Stathmin是一类重要
的信号转导蛋白质，这种蛋白质广泛存在于神经分
化和细胞分裂过程中，在细胞分化、神经系统发育
以及性腺和早期胚胎发育中起着重要作用。在研究
Xenopus oocyte中的微管解聚因子时发现，Stathmin
在有丝分裂中具有调控微管动力学不稳定性的作
用，它通过自身与微管蛋白异二聚体结合(封闭)或
直接作用于微管末端(崩解)来调控微管不稳定性。
更有报道指出 Stathmin能够调节 β-微管蛋白上的
GTP水解[39]。
在调节微管动力学方面，Belmont和Mitchison[14]
于 1996年提出 Stathmin通过增加微管崩解频率(the
rate of catastrophe)来调控在有丝分裂期后微管的解
聚活性(图6A)。Jourdain等[40]于1997年发现Stathmin
通过与两个游离的微管蛋白异二聚体结合形成三聚
体复合结构(T2SLD)，在这种结构下的微管蛋白并
不具有聚合能力(图 6B)，这个三聚体复合物的晶体
结构由Ravelli等[21]在2004年获得[41,42]。直到1999年，
Howell等[[43]提出上述两种机制是在不同pH值的条件
图4　Katanin在细胞后期调控染色体的分离
图5　Kinesin-13驱动蛋白解聚微管的模型(A, B)
A B
272 生命科学 第20卷
下出现的不同活性，Stathmin的N端结构域在第一
种机制中是增加微管崩解频率的必要条件，而
Stathmin的 C端结构域在第二种机制中是执行微管
蛋白屏蔽活性所需要的。
3.3　Katanin解聚机制模型　Katanin主要在有丝分裂
过程中起作用，从中心体微管解聚到纺锤体的形
成，以及有丝分裂后期染色体的分离，Katanin一
直对纺锤体微管起到关键性的调控作用[44]。
早期的Katanin解聚模型(图 7A)是由McNally建
立的，在有丝分裂期，Katanin定位在中心体区域，
借助Kinesin-like-protein、ATP和中心体核区环境来
实现对微管的剪切[36]。
后来根据Davis的研究，在有ATP存在的情况
下，Katanin以六元环结构的方式定位在有缺陷的微
管上，借助ATP水解产生的能量剪切微管(图 7B)，最
后与微管分离，再以单体形式作用在其他微管上[45]。
但是它在微管上的位置以及在分子水平上的解聚机
制还不是很清楚。
图7B　Katanin通过形成六元环结构来破坏微管蛋白
与微管蛋白之间的非共价键来进行对微管的剪切
注：Katan in 单体首先利用ATP 酶，以六元环结构的形式
定位在微管上，其后利用Katanin自身所拥有的ATP水解酶
活性，水解ATP，释放 Pi，破环了微管蛋白与微管蛋白之
间的非共价键。此时，在微管上的六聚体分离，Kat an in
以单体的形式与被切断下来的微管蛋白同时释放出来。根据
这个循环实现对微管的切断。
图7A　Katanin在有丝分裂期间介导着丝点微管的移动
注：Katanin和Kinesin-like-protein定位在中心体区域上，首
先Katanin对负极区域的着丝点微管进行切断，并释放微管
小片断(红色部分)，其后 kinesin-like protein把被切割的着丝
点微管往中心体区域方向拖拉，与此同时在着丝点微管末端
进行聚合。这样就使图中所标志的着丝点微管(绿色部分)往
中心体区域方向移动。被释放的微管小片断会被Katanin进
一步切断解聚或通过微管蛋白聚合形成新的微管。
图6　Stathmin解聚微管模型
图 6A表示的是 Stathmin家族成员通过与微管的正 /负末端作用导致微管往解聚方向进行，这种方式还需要得到进一步证明；
图 6B表示的是 Stathmin家族成员通过本身具有的 SLD(stathmin-like-domains)样结构域与 2个 αβ-微管蛋白异二聚体结合形成
T2SLD复合物(此状态下的微管蛋白异二聚体不能参与微管的组装)，阻止微管的装配，同时磷酸化作用调节 Stathmin家族蛋
白的生理活性，Stathmin家族蛋白就是通过磷酸化 /去磷酸化的作用对微管动力学实行调控。
273第2期 吴作基，等：微管解聚相关蛋白质 Kinesin-13、Stathmin和Katanin
4　微管解聚相关蛋白质 Kinesin-13、Stathmin和
Katanin在解聚机制上的异同点
无论是Kinesin-13，Stathmin还是Katanin，这
三类微管解聚相关蛋白质都具有调控微管解聚的活
性，但是它们对微管解聚的作用机制却大有不同。
在活性调控方面，Kinesin-13和Katanin对微管
的解聚活性都受到ATP的影响，它必须借助ATP水
解来完成微管的解聚。然而，Stathmin的解聚活性
并不受到ATP的影响，它对微管的解聚活性是受自
身磷酸化水平的调控。
在作用位点方面，Kinesin-13和 Stathmin都可
以作用于微管的末端。其中，Kinesin-13可以直接
靶向到微管末端，也可以通过一维扩散到达微管的
末端，然后再引起微管的解聚；Stathmin则直接与
微管末端结合，导致微管弯曲并发生解聚[14]。然
而，Katanin的作用点目前还不是很清楚，但是有
报道指出，在微管内部晶格上的缺陷部位有助于为
Katanin提供活性位点[45]，而并非直接作用在微管末
端上。
在形成解聚中间体方面，Kinesin-13和 Stathmin
都是可以与微管蛋白二聚体形成复合物，但是Katanin
并不与单独的微管蛋白二聚体形成中间复合物。
在调节细胞周期方面，Kinesin-13在整个细胞
周期都具有解聚活性；而 Stathmin在有丝分裂期受
到体内磷酸化的影响，在有丝分裂期没有活性；
Katanin刚好相反，在有丝分裂期中有活性，细胞
间期中没有活性。
5　结语
Kinesin-13，Stathmin和Katanin是三类微管解
聚相关蛋白质，都与细胞内多种生理活动息息相
关。因此，对它们的研究就显得尤其重要。首先，
对它们在酶活性、生化特性以及结构学等方面的研
究，可以帮助我们更好地理解这些蛋白质在分子水
平上的调节机制和解聚机理；其次，在治疗多种疾
病方面，尤其是癌症和肿瘤方面，对这些蛋白质作用
机制的研究更具有重要的实用意义和潜在的价值[46,47]。
若能寻找到其特异性的小分子抑制剂作为抗有丝分
裂药物，使染色体不能正常地分离，就有可能抑制
增殖旺盛的恶性细胞。例如，MCAK已经被证实在
增生的肿瘤中是上调的，因此，MCAK极有可能成
为抗肿瘤药物的靶点[48]。有报道说抑制 Stathmin能
防止白血病的发生[49]; 阻断Katanin的表达有助于阻
止恶性肿瘤内纺锤体的正常形成。 因此，对微管解
聚相关蛋白质的研究，不仅能够帮助我们阐明有丝
分裂的分子机制，而且还可能使其成为新的治疗方
式和新药物的靶点。
[参　考　文　献]
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