β - 和 γ - 肌动蛋白在蛋白水平功能是否独特？—— 一项打破传统认知的研究

在细胞骨架生物学领域，肌动蛋白异构体功能一直存在争议。为探究 β - 和 γ - 肌动蛋白在体内功能是否重要，研究人员利用基因工程小鼠展开研究。结果表明二者在蛋白水平大多可互换，仅特定细胞类型可能需 β - 肌动蛋白，这为相关领域研究提供新思路。

　　

一、研究背景

在微观的细胞世界里，细胞骨架如同建筑的钢筋架构，支撑着细胞的形态、维持细胞的正常功能。而肌动蛋白（actin）作为细胞骨架的关键组成部分，其家族成员一直是科学家们深入研究的对象。哺乳动物的肌动蛋白家族包含了多种高度相关的肌肉和非肌肉异构体，其中 β _- 肌动蛋白（β - actin）和 γ _- 肌动蛋白（γ - actin）这两种广泛存在于非肌肉细胞中的异构体备受关注。它们在氨基酸序列上极为相似，仅有四个生化性质相近的氨基酸差异，且都集中在蛋白质的前 10 个残基位置。

长久以来，科学家们围绕着一个关键问题争论不休：这些细微的氨基酸差异在体内是否具有重要的功能意义？一种观点认为，每种肌动蛋白异构体在细胞中执行着独特的、不可替代的功能；另一种观点则认为，基因层面的差异驱动了肌动蛋白在细胞中的转录模式和翻译动态变化，而蛋白质序列的具体差异只是次要因素，其严格的进化保守性主要反映了基因对突变的低容忍度。此前的研究中，一些实验结果相互矛盾，使得这一问题更加扑朔迷离，迫切需要深入研究来解开谜团。

为了攻克这一难题，来自美国明尼苏达大学（University of Minnesota）、宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）和印第安纳大学（Indiana University）的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

二、研究方法

研究人员主要采用基因工程技术，对小鼠进行基因改造。通过向小鼠的天然 β - actin 基因中引入五个核苷酸替换，使 Actb 基因原本编码 β - actin 的功能转变为表达 γ - actin，构建出 β - actin 蛋白完全被 γ - actin 替代但肌动蛋白基因基本完整的小鼠模型。之后对这些小鼠及其分离的细胞进行表型分析，观察细胞分裂、迁移等生理过程的变化 。

三、研究结果

1. 基因工程小鼠的整体表现：研究人员构建的缺乏 β - actin 蛋白但肌动蛋白基因正常的小鼠，具备正常的生存和繁殖能力，并未出现此前肌动蛋白基因敲除模型中常见的严重异常情况。这表明在生物体的发育和存活方面，β - actin 和 γ - actin 在蛋白水平上具有很大程度的可互换性。
2. 细胞层面的分析：对从小鼠体内分离的细胞进行详细表征后发现，细胞的分裂和迁移过程并未出现明显差异。这进一步支持了 β - actin 和 γ - actin 在细胞基本生理过程中功能可互换的结论。
3. 特殊细胞的变化：研究也发现了一些细微的表型差异。在小鼠内耳中负责检测声音的终末分化感觉细胞 —— 听觉毛细胞，会随着时间推移出现退化现象；此外，在衰老过程中，长寿命且终末分化的视网膜细胞也会发生退化。但在年轻小鼠中，尚未观察到这些变化。

四、研究结论与讨论

综合上述研究结果，研究人员得出结论：在生物体的发育和基本生理功能维持方面，β - actin 和 γ - actin 在蛋白水平上大多是可以相互替代的。哺乳动物细胞似乎需要两个非肌肉肌动蛋白基因来调控表达水平或时间，仅在一些高度特化的细胞类型中，才可能真正需要 β - actin 蛋白发挥独特作用。

这项研究具有重要意义。它打破了以往对于 β - actin 和 γ - actin 功能绝对特异性的认知，为细胞骨架生物学领域提供了新的理论依据。对于理解细胞如何在分子层面维持正常生理功能、应对基因变化具有重要价值。同时，研究中发现的特殊细胞类型中 β - actin 的独特需求，也为未来研究细胞特异性功能的分子机制提供了新的方向。此外，研究中涉及的基因工程小鼠模型，为后续深入研究肌动蛋白异构体功能提供了有力工具，有望推动相关领域在疾病机制研究和治疗策略开发等方面取得新的突破。