Science：新研究揭示成蛋白延伸肌动蛋白细丝机制

肌动蛋白（actin）是一种高度丰富的蛋白，它控制着我们所有细胞的形状和运动。肌动蛋白通过一次一个肌动蛋白分子组装成细丝（filament）来实现这一点。在这一过程中，成蛋白（formin）家族的蛋白是关键的合作搭档：成蛋白位于肌动蛋白细丝的末端，招募新的肌动蛋白亚基，并通过与生长中的丝状物 "步进 "而与末端保持联系。

细胞中有多达 15 种不同的成蛋白，它们以不同的速度、出于不同的目的驱动肌动蛋白细丝生长。然而，成蛋白的确切作用机制以及它们不同固有速度的基础一直都是个谜。

如今，在一项新的研究中，德国马克斯-普朗克分子生理学研究所的Stefan Raunser和Peter Bieling及其团队首次在分子水平上可视化观察了成蛋白如何与肌动蛋白细丝末端结合。这使得他们得以揭示成蛋白如何介导新的肌动蛋白分子添加到生长的肌动蛋白细丝上。相关研究结果发表在2024年4月12日的Science期刊上，论文标题为“Molecular mechanism of actin filament elongation by formins”。

此外，他们还阐明了不同的成蛋白促进这一过程的速度不同的原因。他们结合使用了生化策略和电子低镜（cryo-EM）。这一突破性发现有助于解释为什么成蛋白的某些突变会导致神经疾病、免疫疾病和心血管疾病。

联合起来

Bieling说，“我们的发现使我们能够通过新的视角来解释数十年来对成蛋白的生化研究，从而回答了这一领域中许多长期悬而未决的问题。”

之前的X射线结晶结构已显示，成蛋白由两个相同的部分组成，这两个部分围绕着肌动蛋白细丝形成环状构象，并在其生长过程中沿着肌动蛋白细丝移动。在迄今为止提出的推测模型中，成蛋白通过其所有四个结合结构域与肌动蛋白相互作用，而缓慢和快速移动的成蛋白在肌动蛋白细丝上会采用不同的形状。

论文共同第一作者、Raunser团队博士后Wout Oosterheert 说，“但是这些研究缺乏结合到它们的相关活动场所——肌动蛋白细丝的带刺末端的成蛋白的高分辨率结构。”

成蛋白是一种高度动态的蛋白，能快速组装丝状物，因此很难获得足够的丝状物末端来进行详细的结构测定。这些作者分析了三种不同的成蛋白，它们分别来自真菌、小鼠和人类，它们延伸肌动蛋白细丝的速度大不相同。

成蛋白延伸肌动蛋白细丝的分子基础。图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adn9560。

Raunser说，“我们研究的其中一种成蛋白速度非常快，可以说是成蛋白中的法拉利，而另一种成蛋白的表现则更像拖拉机。”他们测试并优化了各种条件，最终获得了大量与成蛋白结合的肌动蛋白细丝。

论文共同第一作者 Micaela Boiero Sanders 说，“我们借鉴了以前的研究经验。对生物化学和低温电镜样品制备的反复优化是获得这些结构的关键。”

新模式

这些分辨率约为 3.5埃米的新结构显示成蛋白像一个不对称的环一样环绕肌动蛋白：该环的一半稳定地结合，而另一半则与肌动蛋白细丝松散地结合，可以自由地捕捉新的肌动蛋白亚基。Oosterheert和Boiero Sanders说，“分析这些结构让我们对这一机制有了真正的顿悟。当新的肌动蛋白亚基到来时，它整合到肌动蛋白细丝上会破坏成蛋白排列的稳定性，并且需要成蛋白稳定的半环进入新的肌动蛋白亚基上并变得松散，而成蛋白的另一个半环则变得稳定。”

得益于这种协同机制，成蛋白能与不断生长的肌动蛋白细丝末端保持长距离联系。与之前的假设相反，所分析的这三种成蛋白的结构相似，只有三个结合结构域同时与肌动蛋白结合。

通过在成蛋白中引入突变，这些作者还解释了肌动蛋白-成蛋白复合物之间的速度差异：如果成蛋白环与肌动蛋白细丝末端结合得更紧，那么该环就更难松开并进入新进入的肌动蛋白亚基。因此，肌动蛋白细丝的生长速度就会减慢。

Bieling 说，“我们如今明白了如何通过赋予表现得像拖拉机一样的成蛋白一些类似于法拉利的特征，让它跑得更快。”他们希望他们的研究成果能对全世界研究肌动蛋白细胞骨架的科学家们有所帮助。

Raunser总结说，“我们的新发现为阐明15种人类成蛋白在细胞水平上的特定作用提供了大量可能性，这将加深我们对成蛋白基因突变如何导致严重疾病的理解。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Wout Oosterheert et al. Molecular mechanism of actin filament elongation by formins. Science, 2024, doi:10.1126/science.adn9560.

One ring to rule them all
https://www.mpg.de/21839933/one-ring-to-rule-them-all