Science | 肌动蛋白与其加帽蛋白的交响乐

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肌动蛋白 (actin) 作为真核生物中含量最高的胞质蛋白，有两种类型：单体形式 (G-actin) 和丝状形式 (F-actin)¹。G-actin包含了四个亚结构域，他们分别又形成了外部结构域（亚结构域1和2）和内部结构域（亚结构域3和4）（图1）。两个缝隙分开了这两个结构域，他们是核酸结合缝隙以及在其对面的可以和很多actin结合蛋白或者actin自身相互作用的疏水缝隙。

肌动蛋白水解ATP是调控G-actin和F-actin相互转变的几个因素之一。G-actin是个很缓慢的ATP水解酶。而F-actin水解ATP的速率会快很多倍，因为它的外部结构域相比于内部结构域发生了旋转所以导致了更舒展的构象而且也重排了催化中心侧链和水分子。ATP-actin会结合到F-actin的倒钩末端，紧接着会发生快速的ATP水解与缓慢的g磷酸释放以及ADP-actin从尖末端解离。没有结合的单体蛋白会经历着比较快速的ADP和ATP之间的转换以此来为再次结合倒钩末端作准备。这个过程就是肌动蛋白纤维的跑步 (filament treadmilling)。该过程可以被一些蛋白调控，其中一些蛋白会结合到倒钩末端去加速亚基的结合，或者结合到尖末端去加速亚基解离。或者还有一些蛋白会在纤维末端加帽来阻止亚基交换。在细胞中，主要的加帽蛋白是位于倒钩末端的CapZ2和位于尖末端的Tmod (tropomodulin)³。

最近发表了F-actin和不同核苷酸 (ADP，ADP-Pi和ATP同系物) 结合的冷冻电镜结果，揭示了F-actin中间的亚基结构以及多聚时引起ATP水解的构象变化。然而，F-actin的结构在结合核苷酸或者二价离子之后变化很小，所以，尽管在大约四十年前ATP肌动蛋白和ADP肌动蛋白在F-actin末端的结合和解离常数已经被确定了，但是我们对于F-actin末端动力学不对称性的结构基础仍然知之甚少。

2023年5月25日，来自宾夕法尼亚大学的Roberto Dominguez教授实验室在Science上发表了一篇题为Structures of the free and capped ends of the actin filament 的科研论文。他们基于冷冻电镜单颗粒结构，揭示了倒刺末端和尖末端在构象上的不同以及他们如何为亚基的结合和解离做准备，还有CapZ和Tmod怎么去阻断亚基交换。

单独的肌动蛋白在冷冻电镜中趋向于形成长的纤维，这对于螺旋重构是非常理想的，但是这种情况下每张照片中的尖端会很少。所以为了增加尖端数量，本研究使用了优化了的CapZ，Tmod，原肌球蛋白和肌动蛋白的混合物，这可以产生更短的纤维因此每张冷冻电镜照片上就会有更多的尖端 (图1)。经过数据处理之后，产生了三类重构结果：游离的尖末端 (free pointed end，2.84 Å)，带着Tmod的尖末端 (Tmod-capped pointed end，3.26 Å)以及带着CapZ的倒刺末端 (CapZ-capped barbed end，2.79 Å)。在结构中没有看到游离的倒刺末端，这和CapZ对于倒刺末端的纳摩尔级别的结合力以及比较长的解离半衰期是一致的。

图1. 肌动蛋白冷冻电镜照片以及二维分类结果

倒刺末端最后两个亚基的构象呈现的是一种比较例外的经典舒展构象 (图2)，其中亚基是在纤维的中心。本研究中也报道了CapZ异源二聚体在倒刺末端的高分辨结构，呈现出了跟以往低分辨率结构中整体排布的不同以及CapZ和倒刺末端的一些特别的相互作用。CapZ是由a亚基和b亚基组成的异源二聚体，它会呈现出一个类似于蘑菇的形状，其中蘑菇头部会和肌动蛋白的倒刺尾部结合。

图2. 游离的倒刺末端结构

比较意外的是，游离尖末端的两个亚基呈现出了G-actin的构象，他们的D-loop是无序的，这和大多数G-actin的结构是一致的 (图3)。

图3. 游离尖末端结构

不像CapZ会结合所有的倒刺末端，Tmod只会结合20%的尖末端。Tmod包含了交替的tropomyosin和actin结合位点。但是可能由于缺少了和tropomyosin的相互作用，Tmod结合尖末端结构中的两个tropomyosin结合位点是无序的 (图4)。

图4. Tmod结合尖末端的结构

本研究发现了F-actin在亚基的结合和解离中呈现出的和动力学不同的构象变化 (图5)。重要的是，这些结构的不同依赖于纤维上亚基的位置，而不依赖于核苷酸的状态。一个比较意外的发现是尖末端的亚基呈现的是G-actin的构象，因此就为解离作好了准备以及不太可能再结合新的亚基。根据本研究中的模型，尖末端比较慢的结合在概念上很类似于成核过程中的限速步骤。Tmod围绕着前三个亚基形成了一个类似于结的结构，它促使第二个亚基变成F-actin的构象，通过空间上阻碍尖末端来抑制亚基的结合和解离。总的来说，本研究对于肌动蛋白纤维末端的结构、动力学以及加帽反应的机制提供了更深入的解释，帮助人们更进一步地了解肌动蛋白。

图5. 游离和加帽的F-actin末端亚基的结合和解离模型

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126

/science.adg6812

参考文献

参考文献

1.Pollard, T. D. in The Actin Cytoskeleton  Handbook of Experimental Pharmacology (ed Brigitte M. Jockusch)  331-347 (Springer International Publishing, 2017).

2.Edwards, M. et al. Capping protein regulators fine-tune actin assembly dynamics. Nature Reviews Molecular Cell Biology 15, 677-689, doi:10.1038/nrm3869 (2014).

3.Fowler, V. M. & Dominguez, R. Tropomodulins and Leiomodins: Actin Pointed End Caps and Nucleators in Muscles. Biophysical Journal 112, 1742-1760, doi:https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.03.034(2017).

供稿 | 田露

审稿 | 张颖

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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