肌動(dòng)蛋白是一種高度豐富的蛋白質(zhì)，可控制我們所有細胞的形狀和運動(dòng)。肌動(dòng)蛋白通過(guò)組裝成細絲來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，一次一個(gè)肌動(dòng)蛋白分子。formin 家族的蛋白質(zhì)是這一過(guò)程中的關(guān)鍵伙伴：位于細絲末端，formin 招募新的肌動(dòng)蛋白亞基，并通過(guò)與生長(cháng)的細絲“步進(jìn)”來(lái)與末端保持聯(lián)系。我們的細胞中有多達 15 種不同的formin，它們以不同的速度和不同的目的驅動(dòng)肌動(dòng)蛋白絲生長(cháng)。

圖片信息：形成蛋白由兩個(gè)相同的部分（紅色和橙色）組成，它們以環(huán)狀結構環(huán)繞肌動(dòng)蛋白（灰色）絲。

然而，formin的確切作用機制仍然難以捉摸。

現在，來(lái)自多特蒙德馬克斯普朗克分子生理學(xué)研究所的Stefan Raunser和Peter Bieling小組的研究人員首次在分子水平上可視化了formins如何與肌動(dòng)蛋白絲的末端結合。這使他們能夠揭示formins如何介導新的肌動(dòng)蛋白分子添加到生長(cháng)的細絲中。此外，他們還闡明了不同形式促進(jìn)這一過(guò)程的不同速度的原因。MPI研究人員結合使用了生化策略和電子冷凍顯微鏡（cryo-EM）。這項發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的突破可以幫助我們解釋為什么福爾明的某些突變會(huì )導致神經(jīng)、免疫和心血管疾病。

“我們的發(fā)現讓我們能夠通過(guò)新的視角來(lái)解釋幾十年來(lái)關(guān)于成形蛋白的生化研究，這解答了該領(lǐng)域許多長(cháng)期未解決的問(wèn)題。” Peter Bieling這樣表示。之前的X光晶體結構揭示，成形蛋白由兩個(gè)相同部分組成，它們環(huán)繞著(zhù)肌動(dòng)蛋白絲形成一個(gè)環(huán)狀構型，并隨著(zhù)其生長(cháng)而移動(dòng)。迄今為止提出的模型中，成形蛋白通過(guò)其所有四個(gè)結合域與肌動(dòng)蛋白相互作用，而移動(dòng)速度快慢不同的成形蛋白在絲狀體上采取不同形態(tài)。但是比林指出：“這些研究缺少在成形蛋白結合到其活動(dòng)關(guān)鍵部位——肌動(dòng)蛋白絲的刺頭端時(shí)的高分辨率結構。”Wout Oosterheert 是多特蒙德馬克斯普朗克研究所 Stefan Raunser 組的博士后，并且是該研究發(fā)表的共同第一作者。

圖片信息：formin介導的肌動(dòng)蛋白絲進(jìn)行性伸長(cháng)模型。

成形蛋白是高度動(dòng)態(tài)的蛋白質(zhì)，能夠迅速組裝成絲狀體，因此難以獲得足夠的絲狀體末端進(jìn)行詳細結構的測定。多特蒙德馬克斯普朗克研究所的科學(xué)家不僅分析了一種成形蛋白，而是分析了源自真菌、小鼠和人類(lèi)的三種不同成形蛋白，它們在延長(cháng)肌動(dòng)蛋白絲的速度上存在顯著(zhù)差異。Stefan Raunser 表示：“我們研究的一種成形蛋白非?？焖?，可以被視為成形蛋白中的‘法拉利’，而另一種則更像‘拖拉機’。”科學(xué)家們測試并優(yōu)化了多種條件，最終獲得了大量結合了成形蛋白的絲狀體。“我們借鑒了先前研究的經(jīng)驗。在生化和冷凍電子顯微樣品制備的迭代優(yōu)化是獲取這些結構的關(guān)鍵。”共同第一作者 Micaela Boiero Sanders 補充道。

一種新的范式

這些新結構的分辨率大約為3.5埃，顯示成形蛋白像一個(gè)不對稱(chēng)的環(huán)繞著(zhù)肌動(dòng)蛋白：環(huán)的一半穩定地綁定，而另一半則松散地與絲狀體相關(guān)聯(lián)，自由捕獲新的亞單位。“分析這些結構讓我們對機制有了真正的‘頓悟’時(shí)刻。”Oosterheert 和 Boiero Sanders 表示。新的肌動(dòng)蛋白亞單位到達時(shí)，其加入使成形蛋白的排列不穩定，要求穩定的半環(huán)移到新的亞單位上并變得松散，同時(shí)另一半環(huán)變得穩定。得益于這種協(xié)同機制，成形蛋白能夠在肌動(dòng)蛋白絲生長(cháng)的長(cháng)距離上維持與絲端的聯(lián)系。與先前的假設不同，三種分析的成形蛋白結構相似，同時(shí)只有三個(gè)結合域與肌動(dòng)蛋白同時(shí)接觸。

通過(guò)對成形蛋白引入突變，馬克斯普朗克研究所的科學(xué)家們解釋了肌動(dòng)蛋白-成形蛋白復合體間的速度差異：如果成形蛋白環(huán)更緊密地綁定于肌動(dòng)蛋白絲端，環(huán)釋放并移至新來(lái)的肌動(dòng)蛋白亞單位上就更為困難。因此，絲狀體的生長(cháng)速度變慢。彼得·比林解釋?zhuān)?ldquo;我們現在理解了如何通過(guò)給拖拉機賦予一些法拉利的特性，使其加速。”馬克斯普朗克團隊期望他們的成果能對全球研究肌動(dòng)蛋白細胞骨架的科學(xué)家提供幫助。“我們的新見(jiàn)解開(kāi)啟了大量的可能性，用于闡明十五種人類(lèi)成形蛋白在細胞層面的具體作用，這有助于我們深入理解成形蛋白基因突變如何導致嚴重疾病。”Raunser 總結道。

雜志：Science

DOI：10.1126/science.adn9560