Science：重大进展！发现让细胞骨架主要组分肌动蛋白成熟的神秘基因---ACTMAP

荷兰癌症研究所遗传学者Thijn Brummelkamp在被问及为何他擅长追踪其他人没有发现的蛋白和基因时回答说，“我非常善于大海捞针”，尽管有些蛋白和基因在长达40年的时间里仍然难以捉摸。

在一项新的研究中，Brummelkamp及其团队再次成功追踪到了这些“神秘基因”中的一个：确保最终形式的肌动蛋白生成的基因。相关研究结果发表在2022年9月30日的Science期刊上，论文标题为“Actin maturation requires the ACTMAP/C19orf54 protease”。

细胞生物学家对肌动蛋白非常感兴趣，因为肌动蛋白---一种我们在一生中产生超过100公斤的蛋白---是细胞骨架的一个主要组成部分，也是细胞中最丰富的分子之一。在每一种细胞类型中都可以发现大量的肌动蛋白，它有许多用途：它给细胞提供形状，使其更加坚固；它在细胞分裂中发挥重要作用；它可以推动细胞前进，并为我们的肌肉提供力量。

肌动蛋白有问题的人经常患有肌肉疾病。人们对肌动蛋白的功能有很多了解，但这种重要蛋白的最终形式是如何形成的，哪个基因在背后支持？Brummelkamp说，“我们不知道。”

单倍体人类细胞中的遗传学

在他的职业生涯中，Brummelkamp为此开发了许多独特的方法，这使他能够在二十年前首次在人类细胞中大规模让基因失活进行遗传学研究。“你不能像果蝇一样让人们进行杂交，然后看看会发生什么。”

自2009年以来，Brummelkamp和他的团队一直在使用单倍体人类细胞---每个基因只含有一个拷贝，而不是两个（一个拷贝来自你的父亲，一个来自你的母亲）。虽然两个基因拷贝的组合构成了我们整个存在的基础，但在进行遗传学实验时，它也会产生不必要的噪音，因为突变通常只发生在一个基因拷贝中（例如，来自你父亲的那个），而不是另一个拷贝。

与其他研究人员一起，Brummelkamp使用这种多用途的方法来寻找特定疾病的遗传原因。他已经展示了埃博拉病毒和其他一些病毒，以及某些形式的化疗药物是如何进入细胞的。他还研究了为什么癌细胞对某些类型的治疗有抵抗力，并发现了一种存在于癌细胞中的、对免疫系统起制动作用的蛋白。这一次，他去寻找一个使肌动蛋白成熟的基因。

寻找分子剪刀

正如Brummelkamp团队在Science期刊上所描述的那样，在一种蛋白成熟之前并且能够在细胞中完全发挥它的功能之前，它通常必须先被移除一个特定的氨基酸。然后，这个氨基酸被一把分子剪刀从这种蛋白上剪掉。这也是发生在肌动蛋白中的情况。人们知道这个相关的氨基酸--- N末端乙酰化蛋氨酸---是在肌动蛋白的哪一侧被剪掉的。然而，没有人成功找到在这个过程中充当分子剪刀的酶。

Brummelkamp团队的博士后Peter Haahr进行了以下实验：首先他在随机单倍体细胞中引入随机突变（错误）。然后，他通过在这些细胞中添加荧光标记的抗体来选择含有未成熟肌动蛋白的细胞，所添加的抗体正好结合这个氨基酸被移除的位置。作为第三步，也是最后一步，他研究了在这一过程后哪个基因发生突变。

他们称之为“ACTMAP”

然后一个令人狂喜的时刻到了：Haahr追踪到了从肌动蛋白上剪除这个必需氨基酸的分子剪刀。这种分子剪刀原来是由一个先前功能未知的没有人之前研究过的基因控制的。这意味着Brummelkamp团队能够自己为这个基因命名，他们命名为ACTMAP（ACTin MAturation Protease，肌动蛋白成熟蛋白酶）。

为了测试ACTMAP的缺乏是否会导致有机体出现问题，他们关闭了小鼠体内的这个基因。他们观察到，这些小鼠的细胞骨架中的肌动蛋白仍未成熟，正如预期的那样。他们惊讶地发现，这些小鼠确实活了下来，但却遭受了肌肉无力。

ACTMAP并不是Brummelkamp发现的第一个在我们的细胞骨架功能中起作用的神秘基因。使用同样的方法，他的团队近年来已经能够检测到三个未知的分子剪刀（Nature Structural & Molecular Biology, 2019, doi:10.1038/s41594-019-0254-6）：微管蛋白羧肽酶、VASH1和SVBP，它们从细胞骨架的另一个主要组成部分---微管蛋白（tubulin）---上切除一个称为酪氨酸的氨基酸。这些分子剪刀允许微管蛋白在细胞内正常地发挥它的动态功能。他们在今年5月在Science期刊上发现分子剪刀MATCAP是一种微管结合蛋白酶，可让α-微管蛋白去酪氨酸化（Science, 2022, doi:10.1126/science.abn6020，详见生物谷新闻报道：Science：重大进展！发现一种新的微管蛋白去酪氨酸酶---MATCAP）。通过早期针对细胞骨架的研究工作，Brummelkamp最终将研究对象瞄向了肌动蛋白。

微管蛋白去酪氨酸化是由不同的MATCAP和vasohibin去酪氨酸酶进行的。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abn6020。

任务：绘制出所有23000个基因的图谱

Brummelkamp说，“不幸的是，我们关于肌动蛋白的新发现并没有告诉我们如何治疗某些肌肉疾病。但是我们提供了关于细胞骨架的新的基础知识，这些知识以后可能对其他人有用。”

此外，Brummelkamp的任务是有朝一日能够绘制出我们所有23000个基因的功能图谱，他可以从他的巨大名单上又勾出一个新的基因。毕竟，我们不知道我们一半的基因是做什么的，这意味着当出现问题时我们无法进行干预。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Peter Haahr et al. Actin maturation requires the ACTMAP/C19orf54 protease. Science, 2022, doi:10.1126/science.abq5082.

2. 'Mystery gene' matures the skeleton of the cell
https://phys.org/news/2022-09-mystery-gene-matures-skeleton-cell.html