在現(xiàn)實世界中，物流系統(tǒng)為人們的生活提供了必要的物質(zhì)保障。在人體細胞中，也存在一套由分子馬達蛋白作為運輸載體，以細胞骨架作為運輸軌道的物流體系，利用ATP水解產(chǎn)生的動力，輸送各類生物活性物質(zhì)到細胞內(nèi)的功能區(qū)域。一旦此運輸體系的調(diào)度發(fā)生紊亂，會引發(fā)神經(jīng)退行性疾病、大腦發(fā)育遲緩、聽力視力受損等一系列疾病。因此，對分子馬達蛋白調(diào)控機制的研究，一直是細胞內(nèi)物質(zhì)運輸領(lǐng)域研究的重中之重。
V型肌球蛋白（MyoV）是細胞內(nèi)以微絲骨架為運輸軌道的明星“快遞員”分子，是細胞運送細胞器、囊泡、蛋白復(fù)合物、mRNA等生物組分的主要工具，也是胞內(nèi)物質(zhì)運輸機理研究的模式分子之一。但由于其有較大分子尺寸且構(gòu)象多變，過去長期以來的研究只能捕捉到MyoV的低分辨率結(jié)構(gòu)或片段結(jié)構(gòu)，難以全面地了解其活性調(diào)控機制。
近日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏志毅課題組在Science Advances上以Autoinhibition and activation mechanisms revealed by the triangular-shaped structure of myosin Va 為題發(fā)表研究論文，揭示了細胞中一類廣泛存在的運輸型分子馬達蛋白非對稱的自抑制模式，提出了貨物協(xié)同激活分子馬達蛋白的機制。
魏志毅所領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊通過嘗試多種表達條件后，成功拿到MyoV和鈣調(diào)蛋白（CaM）的高質(zhì)量復(fù)合物樣品。經(jīng)過一系列冷凍制樣條件的篩選，最終解析了其近原子分辨率的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)（圖1）。該復(fù)合物整體包含2條MyoVa重鏈和12條CaM輕鏈分子。每條重鏈的頭部包含一個可以水解ATP的馬達結(jié)構(gòu)域（MD），中間包含一段被6個CaM分子纏繞的用來調(diào)整步幅的杠桿臂區(qū)域（LA）和一段二聚化的卷曲螺旋區(qū)（CC），尾部結(jié)構(gòu)域（GTD）則主要負責(zé)貨物的識別和結(jié)合。其杠桿臂和卷曲螺旋區(qū)域之間能夠形成一個鉸鏈結(jié)構(gòu)，使得其尾部結(jié)構(gòu)域能夠折回來與頭部區(qū)域相互作用，從而抑制頭部水解ATP的能力，最終形成一個類似等腰三角形的結(jié)構(gòu)，抑制貨物轉(zhuǎn)運。有趣的是，卷曲螺旋區(qū)只結(jié)合在二聚化的尾部結(jié)構(gòu)域的其中之一，從而將三角形結(jié)構(gòu)分成了不同性質(zhì)的左右兩邊，形成非對稱的自抑制構(gòu)象。
圖1. MyoVa-CaM 復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，卷曲螺旋和尾部結(jié)構(gòu)域的非對稱性結(jié)合，防止了無效貨物（僅含有單一貨物適配分子）對于MyoV的激活。只有在多種貨物適配分子存在的情況下，這些貨物適配分子協(xié)同破壞多個自抑制構(gòu)象的穩(wěn)定作用界面，使得MyoV可以被高效激活。基于結(jié)構(gòu)研究以及生化和細胞實驗驗證，研究人員提出了MyoV響應(yīng)貨物的活性調(diào)控機制（圖2）。在自抑制狀態(tài)，MyoV分子形成相對穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，頭尾結(jié)合從而抑制行走所需的ATP酶活性；非對稱性的自抑制構(gòu)象使右邊MyoV頭尾之間的弱結(jié)合發(fā)生部分解離，處于半抑制狀態(tài)；當(dāng)正確貨物到來，協(xié)同破壞效應(yīng)導(dǎo)致右邊MyoV的頭部和杠桿臂進一步解離，進而破壞鉸鏈結(jié)構(gòu)，使得整個MyoV復(fù)合物無法繼續(xù)穩(wěn)定在自抑制狀態(tài)；最終，三角形結(jié)構(gòu)被完全打開，MyoV重新具備ATP水解能力和行走能力，開始在微絲軌道上運輸貨物。
這一成果與該研究團隊在2020年發(fā)表的研究論文（BioArt文章：Sci Adv | 魏志毅/余聰團隊合作揭示細胞內(nèi)“物流系統(tǒng)”的工作機制）共同揭示了V型肌球蛋白完整的工作循環(huán)機制，也為闡明分子馬達超家族中其他為數(shù)眾多的成員的活性調(diào)控機制奠定了基礎(chǔ)。
圖2. MyoVa在多種貨物協(xié)同作用下從自抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)換為激活狀態(tài)并開始貨物運輸?shù)?span id="fj7zbh5" class="candidate-entity-word" data-gid="814967" qid="6583776985057596675" mention-index="0">分子模型
魏志毅為本文的通訊作者，研究助理教授牛鋒鋒博士（共同通訊作者）、博士研究生劉永和科研助理孫康為本文的共同第一作者。
文章鏈接：
http://doi.org/10.1126/sciadv.add4187
制版人：十一
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