昆虫飞行肌蛋白质3

昆虫飞行肌蛋白质3杨 璞 余海忠 程家安 祝增荣33浙江大学应用昆虫学研究所 杭州Τηεπροτεινσινφλιγητµυσχλεσοφινσεχτσ ≠ °∏ ≠ 2 ≤ ∞ 2 2 33ΙνστιτυτεοφΑππλιεδΕντοµολογψ ΖηεϕιανγΥνιϖερσιτψ ∏ ≤Αβστραχτ ∏ ∏ ∏ × ∏ ∏ ∏ √ ∏ Κεψωορδσ∏ 摘 要 昆虫飞行肌的肌原纤维不仅含有粗肌丝!细肌丝!纤肌丝 还含有很多其它蛋白质参与肌原纤维的组装和调节文章介绍了 余种蛋白质的结构!功能及其在肌原纤维中的位置和功能 对于了解昆虫飞行肌的发育和探索昆虫飞行能力差异的原因具有重要意义∀关键词 飞行肌 肌原纤维 肌丝 蛋白质3国家科技部重点基础研究计划 项目 ≤ 2 ∀33通讯作者 ∞2 ∏ ∏ ∏收稿日期 2 2 修回日期 2 2昆虫是无脊椎动物中惟一有翅的一类 飞行肌是昆虫特有的肌肉类型尽管昆虫的飞行能力各不相同 然而其飞行肌却有相似的微观结构肌细胞呈细长的纤维状 故又称肌纤维 其中有特化的功能细胞器)))肌原纤维 在偏光显微镜下呈现出明暗相间的带状构造 在明带 带 中部有薄膜 盘 贯穿其间 相临薄膜之间的部分构成肌节是肌细胞收缩的基本单位∀电镜下可见肌原纤维由粗!细 种肌丝构成 它们沿肌纤维的长轴并按规则的空间布局互相穿插平行排列∀粗肌丝的成分是肌球蛋白 细肌丝的主要成分是肌动蛋白 辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白 图 ∀∏¬ 和¬ 根据观察结果提出了著名的肌丝滑动模型 肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝的相对滑动引起的 而粗细肌丝本身长短不发生变化肌丝滑动的动力是肌动球蛋白横桥键角的改变∀该模型说明了肌节如何有效地把肌球蛋白分子的运动转化成肉眼可见的肌肉纤维的伸缩≈ 并未从分子水平说明各种蛋白质如何协调并组装成高度有序的肌原纤维∀随着实验技术的发展和研究的深入 不断又有新的蛋白质发现∀图1 果蝇飞行肌肌节结构及其组成蛋白质[4]1 粗丝结合蛋白在无脊椎动物横纹肌中有些蛋白只和粗肌丝结合 比如果蝇的副肌球蛋白!小副肌球蛋白!肌球杆蛋白以及飞行蛋白≈ ∀在果蝇的某些肌肉中这几种蛋白质都出现在 带≈ ∀下面介绍一下这几种粗丝结合蛋白∀111肌球杆蛋白肌球杆蛋白 ° 分子量 ⁄ 它是飞行肌肌原纤维的主要组分之一 是一种新发现的收缩性蛋白∀果蝇肌球蛋白重链 √ ≤ 由一个单基因产生∀该基因通过 的可变剪接 可产生 种不同的 ≤ 它还含有第 个转录单元 始于第 个内含子 编码 °∀ °包括 ≤杆状区域和 端含有 个独特的氨基酸残基的区域 这 个氨基酸取代了重链的运动区域和头部 ≥ 的轻链结合部位∀ °还存在于心脏和成虫的内脏肌肉以及幼虫胚胎中∀在这些部位 °沿着 ≤聚合成粗肌丝∀免疫印迹分析表明 在许多成虫的直接飞行肌中 °与 ≤的比例为 Β ∀ °影响肌节的结构∀ °存在于快速收缩肌肉 间接飞行肌 !慢速收缩肌肉 肠道 以及收缩性很强的肌肉 幼虫体壁 中 这说明 °的形成并不只限于某些特定的肌肉中 它在果蝇肌肉中普遍具有重要作用≈ ∀112副肌球蛋白副肌球蛋白 和肌球蛋白是粗肌丝中含量最高的蛋白 所有研究过的无脊椎动物肌肉中都含有副肌球蛋白∀它是一个杆状分子 其活动中心有 个Α 螺旋∀果蝇副肌球蛋白分子量大约是 ⁄ 由 个氨基酸残基组成 中间的 个氨基酸残基形成该Α 螺旋∀ 个副肌球蛋白能够聚合成卷曲螺旋型的二聚体∀对肌球蛋白和副肌球蛋白氨基酸序列分析发现一个明显的模式 个氨基酸残基重复序列的带电中心 这些电荷中心带有相反的电荷 交替排列 它们之间的相互作用对于蛋白质组装成粗肌丝非常重要≈ ∀一般认为副肌球蛋白帮助粗肌丝组装 对秀丽新小杆线虫Χαενορηαβδιτισελεγανσ突变体的分析表明 副肌球蛋白的含量影响粗肌丝的长度和直径 为了解副肌球蛋白在肌原纤维组装过程以及肌肉收缩过程中的作用 和 通过果蝇副肌球蛋白编码基因启动子区域的°因子 破坏果蝇副肌球蛋白编码基因 纯合的突变体果蝇在胚胎后期死亡 突变体在成肌细胞融合和肌原纤维组装中都有缺陷 肌节组装不当 肌肉没有伸缩性 说明副肌球蛋白在成肌细胞融合!肌原纤维组装以及肌肉收缩等方面都有重要作用≈ ∀113飞行蛋白飞行蛋白 是果蝇间接飞行肌中一种多磷酸化的肌原纤维蛋白≈ ∀∂ ∏¬等测定了果蝇飞行蛋白的氨基酸序列 其分子量为 ∗ ⁄ ∀这种蛋白质只在非同步飞行肌中出现 它对肌肉伸展活性具有重要作用≈ ∀飞行蛋白是一种位于间接飞行肌粗肌丝的特异性蛋白 它使肌球蛋白疏水性氨基酸和带电氨基酸重复排列 并指导粗肌丝的正确组装≈ 有的研究已表明 飞行蛋白对正常肌节的结构和肌肉收缩具有重要作用 它与肌球蛋白杆部相互作用 对粗肌丝形成正确的长度以及肌肉收缩后粗肌丝的稳定是必需的≈ 昆虫飞行肌中缺少飞行蛋白会出现粗肌丝长度增加 表明它具有调节粗肌丝组装的作用≈ ∀2肌联蛋白家族迄今为止 普遍认为肌原纤维是由粗肌丝和细肌丝有规律排列所形成的∀然而 在经过拉长的肌肉细胞内又观察到一种新的超细肌丝 它将粗肌丝与 线联接起来 不同学者给予它不同的名字 如第三肌丝!纤肌丝!≤ 肌丝!≥ 肌丝!× 肌丝!端肌丝!缝隙肌丝!弹性肌丝≈ ∀211肌联蛋白肌联蛋白 也称粗丝联接蛋白∀ 年代中期 由 ∏ 在肌动蛋白和肌球蛋白溶解残余物中 经≥⁄≥2° ∞发现 条蛋白染色带 一条是肌动蛋白 另一条是分子量极大的蛋白质 称为肌联蛋白∀与此同时 王世宽在进行骨骼肌肌动蛋白结合蛋白质的研究中 也意外地发现了这种分子量巨大的蛋白质 定名为 ≈ ∀免疫细胞化学观察到抗肌联蛋白抗体结合于纤肌丝 这清楚地证明了肌联蛋白是纤肌丝的构成成分≈ ∀肌联蛋白是横纹肌中已知分子量最大的蛋白质∀其含量在肌肉中占第 位∀脊椎动物肌联蛋白分子量是 ⁄ 其中 是由 个氨基酸残基组成的免疫球蛋白 ≤ 结构区域和纤连蛋白 ƒ 样结构域的重复单位串联而成 是独特的 序列 包括°∞∂ 富含脯氨酸°!谷氨酸∞!缬氨酸∂!赖氨酸 结构域和一个 激酶催化结构域≈ ∀在成熟的肌肉中 肌联蛋白纤丝长度大于 Λ 占肌节的一半 它的 端位于 盘 ≤ 端位于 带 一般认为肌联蛋白与粗肌丝和细肌丝缠绕在一起 通过 重复结构区域和特殊的°∞∂ 区域使肌肉具有弹性≈ ∀已表明肌联蛋白与肌球蛋白 包括肌球蛋白重链 ≤ !肌动蛋白结合蛋白! 带相关蛋白之间有多种相互作用≈ ∀在肌细胞生成时 肌联蛋白是出现最早的分子之一 早于肌动蛋白!肌球蛋白和其它收缩性成分≈ ∀ ∏ 等发现肌节蛋白质的形成顺序为 肌联蛋白 盘部分!肌球蛋白重链!Α 辅肌动蛋白!肌钙蛋白× ! 蛋白≈ ∀学者们对于肌联蛋白的作用产生以下 种假设 在肌肉发育过程中作为肌节组装的模板或骨架 作为成熟肌肉中的弹性成分∀大量的数据支持第 种假设≈ ∀研究表明 肌联蛋白的串珠结构的间距为 1 与肌球蛋白分子杆部Α螺旋的 个氨基酸残基的重复间距一致 而且在肌肉发育过程中 肌联蛋白是先于其它肌原纤维蛋白发生表达的≈ ∀在肌丝形成时 肌联蛋白可与Α 辅肌动蛋白! 等细胞骨架蛋白形成分子支架 肌球蛋白在此分子支架上组装 同时与肌动蛋白的组装相协调≈ ∀由此推测肌联蛋白有 种生理功能 首先 将粗肌丝与 线联接以维持肌原纤维的完整性和稳定性 其次 可能作为粗肌丝组装的模板蛋白质 第三 肌联蛋白≤端具有肌球蛋白轻链激酶的催化功能域 可使肌联蛋白自身或者肌球蛋白发生磷酸化而调节肌球蛋白的活性和控制粗肌丝的组装≈ ∀肌联蛋白基因家族的成员在脊椎动物和无脊椎动物中都存在 在无脊椎动物肌肉中也发现类肌联蛋白 称为颤缩蛋白 !凸出蛋白 也叫弹射蛋白 或者小肌联蛋白 2 ≈ ∀在果蝇中已经鉴定出了肌联蛋白家族中的 个成员 凸出蛋白≈ !连锁蛋白 ≈ !⁄ 肌联蛋白 ⁄2 ≈ ∀212凸出蛋白凸出蛋白 是果蝇中鉴定出的第 个肌联蛋白家族成员 它与颤缩蛋白 线虫的一种肌肉蛋白 的序列十分接近≈ 大约有 ⁄ 这种蛋白质首先在果蝇成虫间接飞行肌中被鉴定出来≈ 它从 盘伸出 结合在粗肌丝表面 另一端连在 盘 凸出蛋白分子链太短 只覆盖了不到半个肌节的长度≈ ∀凸出蛋白和脊椎动物中的肌联蛋白!秀丽新小杆线虫和海蛞蝓Στιχηοπυσϕαπανιχυσ中的颤缩蛋白以及几种无脊椎动物中的小肌联蛋白同属于一个家族≈ ∀免疫学研究表明不同无脊椎动物中 凸出蛋白处于肌节的不同位置≈ ∀在果蝇间接飞行肌中 抗体标记表明凸出蛋白在 带 然而在果蝇的其它肌肉中 抗体标记在肌节附近 不超出 带位置 与其在间接飞行肌中的位置正好相临≈ ∀对于凸出蛋白的进一步研究发现 在几种肌肉中它表现出不同形式 长度也不同 间接飞行肌中的凸出蛋白最小 远小于同步飞行肌中的 带≈ ∀和脊椎动物的肌联蛋白一样 凸出蛋白也有一个激酶区域 而且有很多 重复序列和ƒ 区域 但是凸出蛋白中没有°∞∂ 区域≈ ∀各种凸出蛋白部分水解消化以后基本相同 各种凸出蛋白可能只有部分区域相同 这可能是由于转录后加工所致 但最有可能是通过 的不同剪接造成的≈ ∀一种昆虫的肌联蛋白抗体能与其它昆虫中相应的蛋白质产生交叉反应 说明凸出蛋白和小肌联蛋白是不同肌肉的不同表达形式 果蝇凸出蛋白抗体和线虫小肌联蛋白交叉反应说明了这一点∀但凸出蛋白或小肌联蛋白和颤缩蛋白也不完全对应 它们的功能可能并不相同≈ ∀213连锁蛋白连锁蛋白 是一种很大的 盘蛋白 最早在桂花蝉Λετηοχερυσινδιχυσ中被鉴定≈ ∀在小龙虾和家蚕Βοµβψξµορι中也发现了与果蝇的 性质相似的肌肉蛋白≈ ∀其它分子量大的肌肉蛋白也有与 相似的 重复区域 比如在脊椎动物横纹肌中的肌联蛋白 所以 可能属于肌联蛋白家族≈ ∀为了进一步研究 的结构和功能 等测定了果蝇 的全部核苷酸序列 推测出了对应的氨基酸序列 蛋白质产物 ⁄ 与秀丽新小杆线虫相应的氨基酸序列比较 发现线虫和果蝇 的所有结构都很相似 主要都是由 重复区域构成 但没有发现纤连蛋白 样结构域和激酶结构域 这表明 在结构和功能上与肌联蛋白家族的其它成员截然不同≈ ∀所有的 的一级结构在进化过程中都是相当保守的 在果蝇 个氨基酸中 由 个免疫球蛋白结构域组成 结构域间有间隔肽分开 其中 Π 的间隔肽长度保持不变 并且都有 个相同的保守区域 推测是肌动蛋白的结合位点 惟一特别的是 端的 个氨基酸非重复序列≈ ∀的 个等位基因突变体的遗传学分析表明 对于肌节!肌腱正常结构的形成和保持非常重要∀所以 缺少了 活性 或 突变的杂合体 都不能形成肌节≈ ∀∂ ≥ 等提出 通过与细肌丝末端相连 促进了细肌丝的反向平行伸长 从而加固了细肌丝在 盘的锚定位点≈ ∀ 是 盘的形成和维持的基础 基因的连续表达对于肌肉的正常生长非常重要≈ ∀免疫显微镜观察发现 在很多类型的肌肉中都位于 盘区域≈ 标记有 抗体的飞行肌肌节的显微照片显示 盘的外围被染色 在提取了与 相连的肌动蛋白后 带边缘也褪色了 相反 带的另外一种蛋白的染色并不因为肌动蛋白的消失而褪色 免疫印迹分析发现 的≤ 端与肌球蛋白相连 由此推断 不只与肌动蛋白相连 还与粗肌丝的末端相连≈ 为肌动蛋白和肌球蛋白≤ 端提供与肌节的连接≈ ∀ 和凸出蛋白可能组成了昆虫飞行肌的弹性纤丝系统 使肌纤维具有弹性 这 种蛋白可能通过改变长度而调节肌肉纤维的弹性≈∀图2果蝇间接飞行肌中肌动蛋白!肌球蛋白!连锁蛋白和凸出蛋白的排列模型[27] 214⁄ 肌联蛋白⁄ 肌联蛋白 ⁄2 端位于 盘 长度大概是脊椎动物中× 长度的一半 具有脊椎动物的× 区域 即°∞∂ 区域!ƒ 区域和 重复序列 但没有× 激酶区域 × 的激酶功能似由凸出蛋白提供 ⁄2 和凸出蛋白共同行使或者同样具有脊椎动物肌肉× 的功能≈ ∀插入等位基因的⁄2 突变体分析表明 ⁄2 在肌肉发育过程中起重要作用 首先⁄2 在肌细胞生成期对于成肌细胞的融合有毋庸质疑的作用 其次⁄2 以后把肌原纤维组织成高度有序的排列 形成骨骼肌中的条纹≈ ∀目前仍不清楚⁄2 是如何调节肌原纤维和成肌细胞融合的 根据已知数据 有一种模型认为⁄2 与最初表达的细胞骨架蛋白相互作用 免疫化学并不认为⁄2 在肌肉发育初期独自形成组装的模版或骨架 更确切地说 ⁄2 是作为有弹性和粘性的带 上面有很多蛋白结合位点 比如 所结合的肌动蛋白结合位点∀在肌细胞生成过程中 ⁄2 粘附在 盘 把附着其上的细胞骨架拉开 没有⁄2 很多肌节成分比如肌球蛋白和肌动蛋白就不能组成高度有序的结构≈ ∀3其它蛋白还有一些蛋白质对于肌原纤维结构和组装具有重要作用 下面作一简要叙述∀311原肌球调节蛋白原肌球调节蛋白 ∏ 是肌动蛋白末端的封端蛋白 它调节横纹肌中细肌丝尖端肌动蛋白的动态组装 通过控制细肌丝的长度调节肌原纤维的组装 它结合于细肌丝的一端形成/帽子0 防止肌动蛋白的增加或减少 调节肌动蛋白纤维的长度∀细肌丝的 2 端被× 封闭 端被≤ 2 封闭∀为了了解肌肉发育过程中× 对间接飞行肌的作用 2⁄∏ 和ƒ 用果蝇进行研究 得出以下结论 肌原纤维组装时细肌丝末端延长 细肌丝末端处于动态的增长 封端蛋白在细肌丝末端从形成动态的/帽子0到变为永久的/帽子0封住细肌丝的末端 肌原纤维组装时细肌丝末端封顶对于细肌丝的最终长度!肌原纤维的结构以及肌肉的功能具有重要作用≈ ∀312Α 辅肌动蛋白Α 辅肌动蛋白 Α2 是一种重要的肌动蛋白交联蛋白 可以将肌动蛋白纤丝交联成平行排列成束的结构 在肌节中具有结构作用∀用钙蛋白酶 一种钙激活的蛋白酶 处理的肌原纤维 被钙蛋白酶消化 释放出Α 辅肌动蛋白 并且 盘失去了致密的物质≈ ∀此外 肌节中起结构作用的蛋白质还有 ∏ 从 盘伸出 与肌动蛋白纤维伴行 可能参与调节肌动蛋白纤维的组装≈ ∀4结语在所有已知的化合物中 蛋白质是最复杂的 同时也是生物体最重要的特征≈ ∀遗憾的是只有极少的昆虫飞行肌蛋白获得纯化 因此关于昆虫飞行肌蛋白质的化学结构的资料很少∀本文尽可能地就昆虫飞行肌蛋白质的结构和功能进行讨论 但是由于对昆虫蛋白质的结构和顺序的研究只在少数昆虫中进行 虽然参考文献比较丰富 但是这些文献大多数是通过某一个蛋白质等位基因的单核苷酸突变体进行该蛋白质的功能研究 因此在一定程度上限制了详细全面地叙述昆虫飞行肌的蛋白质∀如何将蛋白质分子的行为与肌原纤维的动态变化 蛋白质分子的结构与肌细胞的功能结合起来 将是以后研究的重点∀飞行肌蛋白质的结构分析!基因表达调节及肌丝的动态装配成为飞行肌研究的重要内容 并且蛋白质在飞行肌中的位置及其功能研究仍有待进行∀参考文献陈明1生物化学与生物物理进展 21 ∗≤ ⁄ ϑ ΧελλΒιολ 151 ∗≠ ƒ ⁄ ⁄ √ • ∏ ∞ ϑ ΧελλΣχι 113 ∗∏ ⁄ • ∂ ∏¬ ΝεωσΠηψσιολ Σχι14 ∗罗克斯坦 见 罗克斯坦 主编 昆虫生物化学 北京 科学出版社 ∗ƒ ∏ ≤ ∏ ∏ • ∏ ϑ ΧελλΣχι 107 ∗∏ƒ ∏ ≤ ≤ ≤ ≥ ƒ ∞ ƒ ϑ ΧελλΒιολ 140 ∗≤ ∏ ∂ ∏¬ ϑ ΧελλΒιολ 151 ∗∏ 2⁄∏ ≥ ≥ × . ≤ ≥ ϑ ΧελλΒιολ 160 ∗ ° ∞ ≥ ⁄ ≠ ∂ ∞ ≤ ° ƒ 2 ≤ ϑ Μολ Βιολ 331 ∗≥ ⁄ ⁄ √ ƒ 2 ≤ ∞ ≤ ° ϑ Μολ Βιολ 265 ∗• .⁄ ° × ƒ ∂ ∏¬ εταλ ϑ Μολ Βιολ 249 ∗• ∏ ϑ Βιολ Χηεµ 273 ∗∂ ≥ ∏ ⁄ ≤ ∏ ϑ Μολ Βιολ 285 ∗ 张蕾 国外医学 儿科学分册 30 ∗ ≥ ∏ 2≥ ∏ ϑ Μολ Βιολ 313 ∗⁄ ≥ ∏ 2≥ ∏ ϑ Μολ Βιολ 279 ∗∏ ƒ∏ ⁄ • ∏ Ευρϑ ΧελλΒιολ78 ∗≥ ∞ ≥ ≥ ϑ ΧελλΒιολ 148 ∗2≥ ∏ × × Ρεϖ Πηψσιολ Βιοχηεµ Πηαρµαχολ 138 ∗ƒ ƒ ΙνσεχτΒιοχη Μολ Βιολ 32 ∗ ƒ ∞ Βιοχ Βιοπηψσ Αχτα 1569 ∗ ∗° ∏ ≥ ⁄ ∂ √ √≥ √≥ εταλ ΙνσεχτΒιοχηεµ Μολ Βιολ 33 ∗≥∏ ∏ ≥ × Ηερεδιτψ 82 ° ∗2≥ ∏ ∂ ∏¬ ° ∏ Προχ Νατλ Αχαδ Σχι ΥΣΑ 88 ∗ ≤ ∂ × ƒ ∏ ≤ εταλ ϑ Μολ Βιολ 296 ∗∏ ≤ √ εταλ ϑ ΧελλΒιολ 154 ∗≤ • ⁄ ∏ ≥ ΦΕΒΣΛεττερσ 535 ∗ ∗。