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到細胞內的功能區(qū)域。一旦此運輸體系的調度發(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，對分子馬達蛋白調控機制的研究，一直是細胞內物質運輸領域研究的重中之重。
V型肌球蛋白（MyoV）是細胞內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、蛋白復合物、mRNA等生物組分的主要工具，也是胞內物質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象多變，過去長期以來的研究只能捕捉到MyoV的低分辨率結構或片段結構，難以全面地了解其活性調控機制。
近日，南方科技大學生命科學學院魏志毅課題組在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。
魏志毅所領導的研究團隊通過嘗試多種表達條件后，成功拿到MyoV和鈣調蛋白（CaM）的高質量復合物樣品。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構（圖1）。該復合物整體包含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的馬達結構域（MD），中間包含一段被6個CaM分子纏繞的用來調整步幅的杠桿臂區(qū)域（LA）和一段二聚化的卷曲螺旋區(qū)（CC），尾部結構域（GTD）則主要負責貨物的識別和結合。其杠桿臂和卷曲螺旋區(qū)域之間能夠形成一個鉸鏈結構，使得其尾部結構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構，抑制貨物轉運。有趣的是，卷曲螺旋區(qū)只結合在二聚化的尾部結構域的其中之一，從而將三角形結構分成了不同性質的左右兩邊，形成非對稱的自抑制構象。
圖1. MyoVa-CaM 復合物的冷凍電鏡結構
研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，卷曲螺旋和尾部結構域的非對稱性結合，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象的穩(wěn)定作用界面，使得MyoV可以被高效激活?；诮Y構研究以及生化和細胞實驗驗證，研究人員提出了MyoV響應貨物的活性調控機制（圖2）。在自抑制狀態(tài)，MyoV分子形成相對穩(wěn)定的三角形結構，頭尾結合從而抑制行走所需的ATP酶活性；非對稱性的自抑制構象使右邊MyoV頭尾之間的弱結合發(fā)生部分解離，處于半抑制狀態(tài)；當正確貨物到來，協(xié)同破壞效應導致右邊MyoV的頭部和杠桿臂進一步解離，進而破壞鉸鏈結構，使得整個MyoV復合物無法繼續(xù)穩(wěn)定在自抑制狀態(tài)；最終，三角形結構被完全打開，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“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控機制奠定了基礎。
圖2. MyoVa在多種貨物協(xié)同作用下從自抑制狀態(tài)轉換為激活狀態(tài)并開始貨物運輸?shù)?span id="ukvqaat" 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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