1

叭叭~神經細胞的交通入門手冊 當神經細胞交通癱瘓時，我們可就有大麻煩了喔！

「帥氣的男主角為了逃避追殺，騎著重型機車急駛過橋，就在橋坍塌的前一秒

鐘，驚險飛越到達另一端，但為了搶速度，卻必須逆向行駛，乾淨俐落地閃避著

迎面接踵而來的車輛，最後，終於成功的及時將解藥送到中毒而垂死的愛人手中，

公主與王子從此便過著幸福美滿的生活……。」 ─ 這是好萊塢動作片裡常有的畫面，一切看起來都很不可思議！然而，在我們的神經細胞裡，其實天天都上演

著這樣的戲碼，稀鬆平常！

不過，想要在神經細胞裡當一位稱職的駕駛王子，可就不是一件容易的事了。

而且，正如交通運輸維繫著國家命脈一樣，在神經細胞這個迷你城市裡，「運輸」

同樣扮演著極其關鍵的角色；嚴重的交通堵塞，將會導致神經細胞死亡，甚至引

發神經疾病 (如阿茲海默症)。因此，千萬別小看神經細胞內「運輸」的重要性喔！

神經細胞的軸突運輸 (Axonal transport)

因為神經細胞特殊的構造(圖一)，有效的胞內運輸(Intracellular transport)對維持細胞功能及存活是非常重要的。神經細胞的型態雖然各異，但基本上都是由樹突

(Dendrites)、細胞體(Cell body)及軸突(Axons)構成。分支狀的樹突接收各方傳來的訊號；而資訊經過統整後，便沿著長長的軸突以「電」的形式傳到軸突末端，

接著釋放儲存於末端的神經突觸小泡(Synaptic vesicle)，來將訊息傳給下一個神經細胞、或肌肉細胞等等。由於合成突觸小泡所須的工具多半位於細胞體，所以

這些突觸小泡都必須在細胞體先合成後，再被運送到軸突末端發揮作用。因此，

假使生物體沒有發展出一套有效率的軸突運輸方式，而只單靠慢慢擴散來傳輸，

那麼，以人體最長的軸突 ─ 約一公尺長的「坐骨神經」為例，恐怕等到天荒地老，突觸小泡都還沒送達目

的地呢。倘若突觸小泡無法

在軸突末端釋放，神經細胞

的訊息便無法傳遞，我們也

就別想坐在這裡思考了。

圖一、神經細胞的構造主要可以

分為樹突，細胞體和軸突。

(圖片來源：自繪。)

2

路況─細胞骨架(Cytoskeleton)以及細胞骨架相關蛋白(Cytoskeleton-associated proteins)

就像要了解一個地區的交通狀況一樣，想要研究神經細胞的軸突運輸，就必須

先弄清楚路況才行。在神經細胞的軸突裡，運輸的道路主要是由一種稱做「微管

(Microtubule)」的細胞骨架所組成(圖一、圖二)。

由圖二可以看到，「微管」是由α和β微管蛋白(Tubulin)所構成。當α和β微管蛋白聚集時，總是兩個一組而規則的排列，因此所形成的微管，一端必定是α

微管蛋白，另一端則永遠是β微管

蛋白。又因為β微管蛋白這一端堆

積的比較快，科學家定義這一端為

「+」端，而積累速度較慢的α微管蛋白那端則被定義為「-」端。在神經細胞的軸突裡，微管的「+」端一定是朝向軸突末端，「-」端則永遠是朝向細胞體(見圖一)。而神經軸突的運輸，可大致分為往微管

「+」端(軸突末端)、及往微管「-」端(細胞體)這兩個方向；這就像我們坐高鐵時要選擇南下、或北上的

月台一樣。

有趣的是，微管其實是一個隨時處於動態的結構。在不同的生理情況下：例如

軸突生長時，微管可能會積累更多的微管蛋白而增長；而當神經發育時，多餘的

軸突萎縮，微管也有可能因為原有的微管蛋白崩解而縮短(Shrinkage)。試想看看，如果在一個隨時有可能會伸長或是崩解的道路上開車，豈不就像本文一開始所描

述的電影一樣刺激！

另外一個對駕駛的挑戰則是微管上的障礙物(圖三)。微管這條道路並不是暢通無阻；相反的，許多細胞骨架相關蛋白(Cytoskeleton-associated proteins)，包括了各 種 微 管 相 關 蛋 白 (Microtubule-associated proteins) 、 神 經 絲 相 關 蛋 白(Neurofilament-associated proteins)…等，可都是趾高氣昂地站在路中央呢。奇特的是，這些障礙物除了有穩定微管結構的功能外，近年來科學家甚至發現某些路

障雖然阻礙交通，卻同時也有調節交通的作用喔。至於是什麼樣的調節功能，請

耐心地繼續看下去吧。

圖二、微管是神經細胞軸突內主要的細胞骨架，也是軸

突運輸的道路。

(圖片來源：改自 Nat Rev Mol Cell Biol, 2009. 10(8): p. 569-74)

3

運載工具─動力蛋白(Motor proteins)

瞭解了路況以後，接著要談的當然就是車輛囉。在以微管為主要道路的神經細

胞軸突運輸中，主要的運載工具可簡單歸類為兩種動力蛋白(Motor proteins)：往軸突末端(微管「+」端)方向移動的 Kinesin 動力蛋白，及往細胞體方向(微管「-」端)移動的 Cytoplasmic Dynein 動力蛋白。

Kinesin 動力蛋白是一個相當龐大的家族，以人類或老鼠來說，總共有 45 個基因是用來製造各式各樣的 Kinesin 動力蛋白(就像汽車有賓士、BMW、豐田等等不同的車種)。這當中除了少數種類的 Kinesin 有其它的功能外，絕大多數的Kinesin 都是用來負責運送貨物到微管的「+」端。而本文後續所提及的 Kinesin，指的就是後者。這一類的 Kinesin 結構都具有三個部分(圖四)：動力區(Motor domain)、螺旋的柄(Stalk domain)和尾部(Tail region)。其中動力區會附著在微管上，藉由水解 ATP 高能量分子以獲得能量在微管上行走(就像車輛消耗汽油而行駛)，至於尾部則是用來辨識貨物種類並綁定貨物(圖四和圖五)。

圖四、其中一位 Kinesin 家族成員(KIF5)的結構，其中動力區會附著在微管

上移動，尾部則會辨認不同的貨物並且承載貨物。

(圖片來源：改自 Neuron, 2010. 68(4): p. 610-38)

圖三、微管上的諸多障礙物。

(圖片來源：改自 http://www.goldmanlab.northwestern.edu/intro.htm)

4

相較於各式各樣Kinesin組成的龐大家族，動力蛋白Dynein則勢力單薄了許多，其中負責運送貨物到微管「-」端的 Cytoplasmic Dynein 就只有一種。由圖六可以看到，Cytoplasmic Dynein 是由許多小蛋白分子所組成的巨型複合蛋白。雖然其結構和 Kinesin 不同，但 Cytoplasmic Dynein 也有附著微管的區域，藉由同樣的燃料 ATP 而獲得能量在微管上移動。但較特殊的是，Cytoplasmic Dynein 還必須借助另一種蛋白複合體(Dynactin complex)來幫忙調節自身的移動能力及綁定貨物(圖五和圖六)。雖然，為了易於瞭解而在圖五裡將往微管「+」端和「-」端移動的兩類動力蛋白分別繪於上、下方；但實際上並不是如此的壁壘分明，也就是

說，在微管這條路上隨時都有和自己逆向而行的車輛呢。

圖五、各式各樣的 Kinesin 動力蛋白乘載著不同的貨物往微管「+」端方向移

動(圖的上方)；而往「-」端方向運送貨物則是由 Cytoplasmic Dynein/Dynactin

complex 來負責(圖片下方)。 (圖片來源：改自 Neuron, 2010. 68(4): p. 610-38)

圖六、Cytoplasmic Dynein/Dynactin complex 的結構。Cytoplasmic Dynein

需要額外的蛋白複合體 Dynactin complex 來幫忙調控移動能力和綁定貨物。

(圖片來源：改自 Neuron, 2010. 68(4): p. 610-38)

5

複雜難解的交通規則

到目前為止，看來在神經軸突裡的運輸模式並不複雜，Kinesin 和 Cytoplasmic Dynein 這些動力蛋白只是隨意帶著不同的貨物，沿著微管來來去去；並沒什麼好研究的嘛。

且慢！其實當中還有不少問題喔。首先，要運送的貨物可是一籮筐，包括了

各種不同突觸小泡、粒線體(Mitochondria，有細胞發電廠之稱，提供細胞能量)、動力蛋白自己本身(試想當 Cytoplasmic Dynein 運送貨物到細胞體後，要如何回到軸突末端繼續下一回的運輸呢？當然是要拜託 Kinesin 動力蛋白載著它到軸突末端囉) ，以及前面提過的細胞骨架相關蛋白。而不同的動力蛋白，到底是如何在眾多而混雜的貨物中辨認出它們各自要負責運送的東西呢？答案是：連接蛋

白(Adapter proteins)(圖七)。同一種動力蛋白只要接上不同的連接蛋白，便會綁住特定不同的貨物。而在運送到達目的地後，動力蛋白又是怎麼知道該停下來、並

卸貨呢？以運送粒線體為例，當 Kinesin 動力蛋白(KIF5)到達高濃度鈣離子區域時，便會停車甚至放粒線體「下車」，以滿足該區域對能量的需求。

值得一提的是，到目前為止還有許多連接蛋白和調控「貨物下車」的機制都不

清楚，這部分就有待辛苦的科學家們繼續研究啦。

此外，令人難以想像的是，軸突上的某個貨物可能被反向而行的 Kinesin 和Cytoplasmic Dynein 同時承載運送著！

那麼，這個貨物到底是要往軸突末端移動、還是要往細胞體前進啊？關於這個

問題，目前主要有兩種理論來解釋：拔河模式(Tug-of-war)或協調模式(Coordination) (圖八)。拔河理論非常直觀，就是往兩個相反方向移動的動力蛋白互相比賽，哪一方的人數多、力氣大，就往哪一個方向移動。而支持協調模式的

科學家則認為雖然同時有不同的動力蛋白承載著貨物，但是這些動力蛋白們互相

都會協調好什麼時候誰該出力，因此在某一時刻，一定只有一方(往軸突末端、或往細胞體方向移動)的動力蛋白在施力。關於上述這兩種理論，目前各實驗室

圖七、不同的連接蛋白協助動力蛋白綁定各種不同的貨物。

(圖片來源：改自 Neuron, 2010. 68(4): p. 610-38)

6

的研究結果迥異，沒有定論說動力蛋白們究竟是彼此競賽還是互相協調來運送貨

物。

說到這裡，可還記得前面提過「道路上的一些路障竟然有調節交通的功能」嗎?有實驗發現，Tau(一種神經細胞特有的微管相關蛋白)這種路障，對不同的動力蛋白有不同的影響。Kinesin 動力蛋白似乎只要遇到 Tau 就很容易會停下來或是脫離微管，無法再繼續運行；而大多時候，Cytoplasmic Dynein 遇到 Tau 卻依舊可以通過。因此，科學家們推論 Tau 在微管上的分布不均是一種調控 Kinesin 和Cytoplasmic Dynein 的好方法：在神經細胞裡，越靠近軸突末端有越多的 Tau 分布在微管上，因此貨物被運送接近軸突末端時，運載貨物的 Kinesin 就有越大的機率遇上 Tau 而脫離微管，無法繼續運送；反之，在軸突末端的 Cytoplasmic Dynein 卻依然能夠在微管上移動，將貨物運回細胞體。這樣的設計是不是很聰明！

除了方向上的調控，動力蛋白們在運輸貨物時也有速度的調控機制。平常我們

開車時總會遇上龜速車或者超速車，而神經軸突運輸也不例外。以平均速度來區

分的話，神經軸突可簡單分成兩類：快速軸突運輸(Fast axonal transport)和慢速軸突運輸(Slow axonal transport)。通常在運送囊泡(Vesicles)這一類的有膜貨物(Membranous cargos)時，動力蛋白們是以快速軸突運輸的速度移動(平均速度約50-400 毫米/天)；而當運送微管蛋白、細胞骨架相關蛋白這一類的貨物時，則是以慢速運輸的模式行進(平均速度約 0.2-8 毫米/天)。令科學家驚異的是，同一種動力蛋白竟然能夠切換到不同速度的運輸模式！雖然這類調控的機制還在研究

當中，但初步的結果顯示：有各種不同的蛋白交互作用參與其中而造成動力蛋白

運輸速度的不同。

圖八、決定不同方向運輸的可能機制有(a)拔河模式或(b)協調模式。

(圖片來源：改自 Phys Biol, 2004. 1(1-2): p. R1-11)

當 Cytoplasmic Dynein 比較多時 貨物往細胞體移動

當 Kinesin 比較多時 貨物往軸突末端移動

7

結語

綜合上述可知，這些動力蛋白駕駛們要注意的事情實在太多了！它們除了隨時

要觀察變化莫測的路面，又要和其它夥伴們協議由誰、或該把什麼貨物運到需要

的地方，同時還要注意調整自己運送的速度！

「軸突運輸」這門學問不僅博大精深，對我們來說也是非常重要的！以阿茲海

默症為例，雖然確切致病的原因目前還不能確定，但在病人退化的神經細胞裡都

可以發現到一些特定的貨物，如類澱粉前驅蛋白(Amyloid precursor protein)、Tau微管相關蛋白、神經絲蛋白的異常堆積；同時也有實驗指出當軸突運輸受阻時，

老鼠的腦內亦會出現上述類似的現象。

因此，科學家對軸突運輸有越多的了解，我們就會有更多的勝算來治療這些疾

病。當然，讀者們或許還會聯想到其它的問題，譬如神經細胞樹突的運輸以及其

它細胞內的交通系統又是如何運作呢？這些問題如果認真討論起來，恐怕三天三

夜也談不完！所以囉，下次當我們困在車陣裡的時候，別再浪費時間抱怨了，還

是靜下心來多想想自己身體細胞裡的交通系統(圖九)，最起碼它們沒有塞車也是值得慶幸的事，不過，可千萬別學動力蛋白那樣逆向行駛喔！

圖九、細胞內複雜的交通系統。

(圖片來源：http://www.nsf.gov/news/news_images.jsp?cntn_id=104178&org=NSF)

8

參考資料&延伸閱讀

1. Hirokawa, N., S. Niwa, and Y. Tanaka, Molecular motors in neurons: transport mechanisms and roles in brain function, development, and disease. Neuron, 2010. 68(4): p. 610-38.

2. Gross, S.P., Hither and yon: a review of bi-directional microtubule-based transport. Phys Biol, 2004. 1(1-2): p. R1-11.

3. Dixit, R., et al., Differential regulation of dynein and kinesin motor proteins by tau. Science, 2008. 319(5866): p. 1086-9.

4. Amos, L.A. and D. Schlieper, Microtubules and maps. Adv Protein Chem, 2005. 71: p. 257-98.