驱动蛋白超家族分析：对结构和功能的洞察外文翻译资料

驱动蛋白超家族分析：对结构和功能的洞察

Harukata Miki, Yasushi Okada and Nobutaka Hirokawa Department of Cell Biology and Anatomy, Graduate School of Medicine, University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyoku, Tokyo, Japan

摘要：驱动蛋白超家族蛋白 (KIFs) 是细胞内转运系统中的关键参与者或“枢纽”蛋白，这对细胞功能和形态至关重要。KIF超家族也是哺乳动物中第一个大型蛋白质家族，其成分已在计算机和体内得到完全鉴定和确认。许多研究揭示了个体家族成员的结构和功能；然而，成员之间的关系或整个超家族结构的理解直到最近仍然难以捉摸。在这里，我们基于对驱动蛋白超家族的大型、系统的分析进行了全面总结。对公共数据库中的所有可用序列，包括来自所有模式生物的基因组信息进行分析，来得到迄今为止最完整的系统驱动蛋白树，包括14个家庭。这种全面的分类是在最近提出的驱动蛋白标准化命名法的基础上建立的，并能够对驱动蛋白超家族内的结构和功能关系进行系统分析。

介绍

细胞内转运对于适当的细胞形态和功能是必不可少的。名称为驱动蛋白超家族蛋白 (KIF) 的分子马达已被证明可以将细胞器、蛋白质复合物和 mRNA 沿微管运输到特定目的地，同时水解 ATP 以获取能量[1-3] 。KIF还参与有丝分裂和减数分裂过程中的染色体和纺锤体运动[4-6] 。

An~360-残基球状结构域是 KIF的标志。这个保守的结构域包含一个用于ATP 水解的催化口袋和微管的结合位点[7,8] 。因此，它通常被称为“催化核心” [9] 。电子显微镜显示，大多数 KIF 形成长丝状结构，一端为球状结构域，另一端为扇形结构，在驱动蛋白重链的情况下与轻链相关联[8]。 通过类比Kinesin-1的结构特征，一端的催化核心域也称为“头部”，其次是茎区，最后是分子另一端的“尾部”。“头部”负责 ATP 水解的运动[8,10,11]，而“茎/尾”区域对于与全酶的其他亚基或货物分子（如蛋白质、脂质或核酸）相互作用 来说很重要[8,12,13] 。“头部”和“茎”之间的一小段区域，即“颈部”，通常包含家族特有的特征。在几个家族中，这种“颈部”已被证明对于运动方向等特性至关重要[14]或活动监管。因此，运动或机械功能主要由“催化核心”和相邻的“颈部”或两者结合的区域——“运动区域”决定。因此，运动区域在每个KIF家族中都非常保守，而“茎/尾”区域则高度分化，即使在一个家族内也是如此。这反映了KIF的多种细胞功能，包括从神经元轴突向下的突触小泡运输到有丝分裂期间的染色体运输。大多数 KIF 在 N 端具有催化核心，并具有微管加端定向运动。相比之下，一些 KIF在 C 端具有催化核心，并具有反向（负端定向）运动性。然而，一些 KIF，例如 Kinesin-13 家族的 KIF2A，在其序列的中间具有催化核心。[15] 。

尽管 KIFs 在物种之间是保守的，但在一个生物体内存在许多不同的类型，这表明 KIFs 可能通过分子进化发生分化来介导不同的细胞功能[16,17]. 这一假设促使我们使用所有 KIF 序列的系统分类对 KIF 的结构关系进行全面分析。收集了超过 640 个 KIF 氨基酸序列，并比对了 623 个催化核心序列，产生的分类将超过 98% 的 KIF 分配给 14 个不同的家族。比较每个家族内的全长序列并构建特定家族树，阐明家族特定特征和分层亚家族分组。这支持并进一步发展了最近描述的驱动蛋白超家族的新标准化命名系统[18]. 在这里，我们回顾了迄今为止表征的 14 个家族中每个家族的特征，提供了对每个家族中未表征 KIF 的结构和功能的见解。我们建立的完整的家族树，可以在我们的主页（HTTP：//cb.mu-tokyo ac.jp/）看见，主要包括未鉴定KIFS，相对较少的驱动蛋白的精确细胞功能已被阐明。我们希望这个家族树将有助于在未映射的细胞内贩运区域中导航。

KIF树的一般特征

分子系统树（图 1）由 623 个 KIF 氨基酸序列构建（补充数据 S1）。尽管收集的序列严重偏向于动物（54.1%），特别是哺乳动物（22.2%）（补充数据 S1），但在脊椎动物、无脊椎动物、真菌、植物和原生动物的模式生物基因组中鉴定的所有 KIF 序列都是合并。有关小鼠、人和大鼠中 45 个 KIF 位点的信息，请参阅补充数据 S2。使用催化核心序列构建的树通常与从每个家族的全长序列比较中得到的树一致 ( http://cb.mu-tokyo.ac.jp/），并且该系统树的整体拓扑结构与通过不同方法推断的结果一致[2,5,16,19,20]。

为了阐明科内的分层关系，我们将具有重要分组的低级进化枝指定为亚科，并从代表成员中给这些亚科暂定名称。除了Kinesin-14A 和 Kinesin-14B（两者都是“家族”级进化枝）之外，关于亚家族命名法没有达成共识。一般来说，每个科内的分支模式反映了分类学，尽管昆虫和原生生物中的 KIF存在偏差，并且通常不会相应地分支。KIFs的分子进化似乎与分类群进化密切相关，强调了 KIFs 在生物学中的基本作用。各家族的代表性成员、以前的命名法和创始成员见术语表 。

Kinesin-1 家族

要报告的第一个KIF，驱动蛋白或驱动蛋白重链 (KHC) 包含在该家族中（表1）。该家族的成员具有家族特有的颈部b 层和高度保守的卷曲螺旋茎（图2）。据报道，它们起到细胞器转运蛋白的作用[23]并参与核运动[24] 。

Kinesin-1 包括三个亚科：动物 KHC、真菌/植物 KHC 和非典型 KHC（图1）。动物 KHC，例如 KIF5A、KIF5B 和 KIF5C，在茎[25] 中具有货物结合域 (CBD)和轻链结合域 (LCBD)，后者与具有适配器功能的驱动蛋白轻链 (KLC) 结合，后者还可以在C 端结合货物[26] [27] 。相比之下，真菌/植物 KHC 缺乏 LCBD [28] 。动物 KHCs 可以与一对 KLCs 形成异源四聚体[29] ，而真菌 KHCs是同源二聚体。

非典型 KHC 既缺乏 CBD 又缺乏 LCBD，但包含跨膜结构域或 ARM 重复结构域（见术语表），这可能在没有接头蛋白的情况下实现货物结合（图2）。植物中的非典型 KHC 可能代表 Kinesin-2 家族成员的功能，如下所述，在高等植物中不存在这些成员。

Kinesin-2 家族

Kinesin-2 KIF在常规驱动蛋白之后被鉴定为 N-驱动蛋白。存在三个 Kinesin-2 亚家族：KIF3A、KIF3B/C 和 KIF17 亚家族。KIF3A 亚家族在催化核心下游的颈b片层之后包含带正电荷和带负电荷的残基簇（图 2），而 KIF3B/C 分子在相应位置具有带相反电荷的残基簇。该区域使这两个亚家族的成员能够异二聚化。相比之下，据报道 KIF17亚家族成员发生同源二聚化[32] 。

已知家庭成员不仅参与细胞器运输[32] ，还参与鞭毛内运输[31]和精子发生[33] 。有趣的是，这个家族的成员还没有在真菌或高等植物中被描述过。例如，它们不存在于被子植物（图 1）——既不产生精子也不具有纤毛或鞭毛的植物。了解这个家族的成员是否存在于产生精子的植物中，例如蕨类植物或裸子植物，将会很有趣。工厂中成员的缺乏也可以通过涉及 Kinesin-1 成员的补偿来解释。已知 KIF3 与KAP3 密切相关，KAP3 是一种包含 ARM 重复序列的衔接分子[31,34,35]. Kinesin-1 家族中的非典型植物 KHC 包含Armadillo (ARM) 重复序列（图1），其可能在衔接蛋白结合位点充当内在衔接分子。

Kinesin-3 家族

该家族的创始成员被确定为第三个 N-驱动蛋白（表1）。该家族的主要特征是家族特定颈部区域的b片层和螺旋，其次是叉头相关 (FHA) 域（图 2），这是一个蛋白质-蛋白质与磷蛋白相互作用的位点，暗示了一种机制结合调节[39]并且还表明参与自我控制运动活动的分子内相互作用[40] 。该家族包括五个主要亚家族，即 KIF1、KIF13、KIF14、KIF16 和 KIF28亚家族和一个未表征的次要组，NcKIF1C/Klp7 组（图1）。

图 1. 来自 611 个驱动蛋白超家族蛋白 (KIF) 的催化核心的氨基酸序列使用 MAFFT 包进行比对[105] ，并通过邻接法推断系统树[106] 。分类基于此树的分支和全长序列中的特定于类的特征（图 2和比对：http : //cb.mu-tokyo.ac.jp/）。确定了从 Kinesin-1 到 Kinesin-14 的 14 个类别或家族。在 623 个 KIF 中，有 614 个，~98.5%属于一个家庭。不归入这 14 个家庭的 KIF被归类为孤儿。分类定义源自 NCBI 分类法页面。代码：v（红色）：脊椎动物；i（粉红色）：昆虫；n（紫色）：线虫；p（绿色）：高等植物；f（蓝色）：真菌。完整的树和特定家族的树可以在http://cb.mu-tokyo.ac.jp上查看。

表 1. 提及的驱动蛋白超家族蛋白 (KIF) 家族命名法和特征

代码：N，由核苷酸序列推导出的创始成员；P，从蛋白质序列推导出的创始成员。

b人类/果蝇/秀丽隐杆线虫/拟南芥/网柄菌基因组中的成员数量。

迄今为止研究的成员是细胞器转运蛋白[37,41,42]。该家族包括在动物、真菌和多种原生动物中发现的 KIF，尽管它们在高等植物中没有发现。据报道，成员是单体[38,41]或同二聚体[43] 。最近，有报道称颈部铰链结构可能调节单体到二聚体的转变[44] ；然而，这种结构也存在于 KIF1C 中，它是一种同源二聚体[43] 。

此外，这种结构的存在仅限于 KIF1 亚家族，而不是与整个家族共享（参见比对：http ://cb.mu-tokyo.ac.jp/）。因此，此功能可能不是一般监管机制的基础。

Kinesin-4 家族

Kinesin-4 家族代表了几个驱动蛋白亚家族的“扩展”家族。数字“4”取自 KIF4 作为助记符。“KIN N-Chromo”或“chromokinesin”家族是该家族的过去参考（表 1），尽管并非该家族的所有成员都与染色体结合[45]并且并非所有与染色体结合的 KIF 都属于该家族[46 ] 。因此，术语“chromokinesin”具有误导性，应避免使用。

颈部b片和盘绕线圈茎保存良好（图 2）。该家族中的大多数 KIF 可以进一步分为五个亚家族：KIF4、KIF7、KIF21、KIF27 和 NcKIF21A 亚家族。在鞭毛虫中发现了一种相对较远的蛋白质种类。

据报道，该家族成员的功能范围从细胞器运输[45]到染色体运动[47] ，尽管大多数尚未确定。有趣的是，已知在细胞核和细胞质中发挥功能的 KIF4 亚群[45]在高等植物和动物中是保守的，而据报道定位于神经元细胞质[48]的 KIF21亚群仅存在于动物中。

该科以及Kinesin-2 和-3 科，在高等脊椎动物中有更多的家庭成员，在低等脊椎动物中有较少的成员，而在植物中则没有或很少（图1 ）。相比之下，Kinesin-5、-7 和 -14B 家族有来自单个植物物种的多个成员，但每个动物物种的成员要少得多。各个驱动蛋白家族的分子进化与它们在宿主物种内的细胞功能密切相关。Kinesin-4 家族似乎经历了相对频繁的基因复制，如一个生物体中的成员数量所示（图 1 ）。此外，还有一个最近出现的旁系同源物，KIF4B；尽管与 KIF4A 有超过 90% 的同源性，但迄今为止尚未检测到 KIF4B转录本和蛋白质[17] 。

图 2. 每个驱动蛋白超家族蛋白 (KIF) 家族和亚家族的代表性成员的结构和区域。各个家族和亚家族的特征是从氨基酸比对和来自 SMART 服务器的结果

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