伦敦是英国繁忙的首都，数百万人从一个地方到另一个地方忙忙碌碌。这一运动需要一个复杂和组织良好的交通网络，其中包括近1万英里的道路。人体细胞与这个繁忙的大都市相似，因为它们必须同时有效地运输许多不同的物质，才能正常工作和生存(图1)。细胞中的运输网络是由被称为微管的结构构成的。微管就像道路一样，被称为“运动蛋白”的车辆沿着微管行驶。运动蛋白运送各种乘客，包括蛋白质和特殊结构，到细胞内需要它们的地方。

图1. 伦敦等城市的交通网络与细胞内相似。右边的图片显示了一个细胞，它的微管呈绿色。乘客，如细胞结构的线粒体(染成的红色)，通过称为运动蛋白的细胞载体沿着微管运输。细胞核是保存DNA的地方，它被染成蓝色。

细胞有各种各样的特殊形状和大小，这取决于它们的功能。神经细胞尤其如此，它们是大脑和脊髓中的通讯细胞(图2)^[1]。神经细胞也被称为神经元，每一个细胞都有一根长管状的延伸部分，叫做轴突，它对于远距离快速传递信号至关重要(图2)。

图2. 神经细胞，也被称为神经元，是在大脑和脊髓中发现的信号细胞。外周神经是在脊髓中发现的神经元，它们伸展出一种叫做轴突的细长管状结构，与身体的肌肉等组织相连接。神经细胞可分为三个基本单元：(1)细胞体，包括细胞核和DNA；(2)轴突是一个细长的延伸部分，可以传递信号；(3)轴突顶端或末端，与其他细胞接触。

外周神经存在于脊髓中，并将其轴突向外延伸，与身体的某些部位连接，如肌肉。外周神经的轴突在成年人体内可以超过一米长或达到10000倍细胞体的长度，细胞体是细胞核所在的地方，也是大多数细胞材料产生的地方(图2)。这个轴突相当于伦敦的一条路，从市中心开始，然后绕赤道超过15圈！你可能已经猜到了，考虑到轴突的长度和形状，轴突对神经构成了一个主要的挑战，因为在轴突的特定部位，某些物质是必需的，包括从轴突一直延伸到顶端。那么，神经细胞是如何有效地将物质输送到轴突中需要它们的地方呢?

轴突运输是神经细胞在胞体和轴突顶端之间传递物质的过程。当物质向轴突顶端运动时，称为顺行运输(Anterograde Transport)，当物质向细胞体运动时，称为逆行运输(Retrograde Transport)(图3A)。在任何时候，成千上万的货物都可以双向运输(图3B)。

图3

(A)轴突运输是双向的：顺行运输是从细胞体向轴突顶端，逆行运输是从轴突顶端向细胞体。

(B)许多物质同时沿轴突内的微管运输，运动蛋白通过将货物连接到微管并利用能量移动来驱动这种运输。请注意，细胞中产生能量的结构线粒体可以向两个方向移动。

(C)驱动蛋白向微管正极移动，将线粒体等货物顺行运输至轴突顶端。胞质动力蛋白是一种逆行的运动蛋白，它将自噬体等物质向微管负极和细胞体移动。

轴突运输依赖于三个关键的组成部分：1. 微管；2. 顺行运输装置；3.逆行运输装置。

微管是一种又长又薄的结构，为所有细胞运输货物提供通路。每个微管都有一个稳定的、不生长的末端，称为负极，也有一个可以生长的末端，称为正极。在细胞体中，微管形成网络，其正负两端可以在任何位置，因此材料可以向四面八方运输。此外，微管在细胞体中是动态的，这意味着它们可以很容易地改变它们的长度和方向。相比之下，轴突内的微管更稳定，因为它们必须提供持续维护的道路，以便在任何方向上进行有效的远程运输。轴突中微管的另一个特征是它们的正极都指向轴突顶端，而它们的负极指向细胞体(图3B，C)。

这种统一的方向对于轴突运输是至关重要的，因为这些被称为“运动蛋白”的交通工具与货物相互作用，并利用能量沿着微管行进，它们只朝一个方向移动。向轴突顶端的顺行运输需要的运动蛋白是驱动蛋白，它驱动微管正极(图3C)。相反，逆行运输依赖的运动蛋白是胞质动力蛋白，它向微管负极方向移动，将物质带回细胞体。

运动蛋白沿着微管驱动，运送许多乘客。顺行运输的货物一般与逆行运输的货物不同，这是因为这两个过程具有不同的功能。然而，有些货物是双向运输的，例如为细胞提供能量的线粒体。

蛋白质有成千上万种形式，每种形式功能不同。神经细胞通常在特定的时间和特定的位置需要蛋白质，包括细胞体和轴突。为了到达轴突的特定点，包括末端，蛋白质必须从细胞体(它们最常被制造的地方)运输到微管正极(图3)。轴突上的特定蛋白质使神经细胞能够对局部环境做出反应。当这些蛋白不能成功运输并从轴突上消失时，神经细胞就不能正常工作，从而导致神经细胞的退化和死亡。向轴突末端运输的另外两种物质是囊泡和线粒体，囊泡就像装满蛋白质或其他物质的小袋子，线粒体是为细胞提供能量的结构。如果线粒体的传递中断，例如因为疾病或药物，轴突就不能产生它所需要的能量。这会损害神经细胞的功能，在严重的情况下，会导致神经元死亡。

信号核内体是一种细胞结构，它将生存信号从轴突末端传送回细胞体(图3B)。当它们到达细胞体时，来自这些核内体的信号将有助于神经细胞的存活，例如，帮助神经功能和生长的蛋白质的产生将会增加。当这个过程被打乱时，神经细胞更有可能死亡。自噬体(图3B，C)是一种特殊的结构，可以分解细胞中受损的和不想要的物质。自噬体从轴突收集这些废物，并将其传递到细胞体，在那里废物可以被有效地清除或回收。当自噬体运输受损时，潜在的有害物质会在神经元中积聚。

研究表明轴突运输对所有神经细胞的发育、功能和生存都很重要，因为有这么多重要的货物被运输，轴突运输出现问题会对神经细胞造成伤害。

许多实验室实验表明，当轴突转运不正常时，神经细胞会“不高兴”并可能死亡。此外，研究表明，轴突运输缺陷可能在大多数神经系统疾病中发挥作用，包括亨廷顿病和多发性硬化症^[2,3]。微管和运动蛋白的形成所需要的信息存在于我们的DNA中，也就是基因中。有时，基因中的信息可能会被破坏，并导致一种称为突变的情况(有关基因和突变的更多信息，请参见^[4])。这些突变可能导致基因产生的蛋白质丢失，或者生成错误的蛋白质。有证据表明，当制造微管和运动蛋白的基因发生突变时，可能会导致人类疾病，特别是影响神经系统的疾病^[5]。这表明，当轴突运输由于这些基因突变而减慢或停止时，它会影响神经细胞的健康，并可能导致神经系统疾病。