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(xì)胞中，也存在一套由分子馬達(dá)蛋白作為運輸載體，以細(xì)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(xì)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(dá)蛋白調(diào)控機(jī)制的研究，一直是細(xì)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(xì)胞內(nèi)以微絲骨架為運輸軌道的明星“快遞員”分子，是細(xì)胞運送細(xì)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(jī)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(jī)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(xì)胞中一類廣泛存在的運輸型分子馬達(dá)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(dá)蛋白的機(jī)制。
魏志毅所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊通過嘗試多種表達(dá)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(dá)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(fù)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(jìn)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?；诮Y(jié)構(gòu)研究以及生化和細(xì)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(jī)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(jìn)一步解離，進(jìn)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(tuán)隊在2020年發(fā)表的研究論文（BioArt文章：Sci Adv | 魏志毅/余聰團(tuán)隊合作揭示細(xì)胞內(nèi)“物流系統(tǒng)”的工作機(jī)制）共同揭示了V型肌球蛋白完整的工作循環(huán)機(jī)制，也為闡明分子馬達(dá)超家族中其他為數(shù)眾多的成員的活性調(diào)控機(jī)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="jhf4ft2" 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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