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Cell | 纤毛顶端“运输列车”的结构重排—破解货物单向运输的秘密

黄隽豪 北京生物结构前沿研究中心
2024-11-27

星标,再也不怕错过更新!方法见文末动图。

初级纤毛和运动纤毛作为以微管为基本组成单元、类似于“信号天线”的细胞器,其内部物质的双向运输依赖于由IFTA和IFTB蛋白形成的聚合物,即正向(anterograde train)和反向(retrograde train)列车。正向列车以kinesin-2蛋白为“车轮”,负责将包括tubulin、RSP3、DRC2/4等在内的货物从胞质运至纤毛顶端;反向列车则以dynein-2为“车轮”,将信号相关蛋白等货物从纤毛运回胞内,有趣的是,dynein-2在正向列车中却是货物。

纤毛内物质运输过程


然而,正向列车如何在纤毛顶端重构成性质完全不同的反向列车,这一问题令人费解。有研究表明正向列车的内在特性足以诱导这种快速转换,也有人认为正向列车需先解聚为单个的IFTA和IFTB复合物,再重新组装成全新的反向列车。但由于对这样一个动态过程进行高分辨率可视化极为困难,纤毛内运输列车在顶端转换的机制至今仍是未知。


继前期对正向列车结构性质和dynein活性转变过程的描述后,来自意大利人类技术结构生物学中心的Gaia Pigino课题组在《细胞》杂志发表了 “Extensive structural rearrangement of intraflagellar transport trains underpins bidirectional cargo transport”的研究文章。该研究运用冷冻电子断层扫描以及原位交联质谱技术,成功获得了莱茵衣藻纤毛反向列车的结构模型,揭示了IFT列车在纤毛顶端的重构方式,为方向特异性货物结合和运输机制提供了深刻见解。

图1 反向列车的结构模型


为解决反向列车颗粒数目较少的难题,研究人员发现莱茵衣藻突变体dhc1b-3纤毛中的反向列车虽不能移动,但更长且排列更规则,能获得更多列车颗粒数。结合 AlphaFold2和分子动力学模拟,研究人员构建出完整的反向列车分子模型。该模型显示反向列车排列较为稀疏,具有螺旋对称特点,故而不具有极性。而正向列车复合物堆叠更为紧密,其重复单位远小于反向列车的45nm。

图2 IFTA以C2对称聚合,充当整个反向列车的核心支架


每两个IFTA复合物彼此形成相互作用界面,向两端延伸成为一条连续支架,贯穿整个反向列车的核心。具体而言,两个IFTA1亚复合物(IFT144/140-WD)相互缠绕,犹如锁住的钩子;另外,两个IFTA2亚复合物通过IFT139与IFT122/121-WD紧密堆叠在一起。这两种新鉴定出的相互作用是IFTA以C2对称聚合的基础。


与之相反,IFTB如同翅膀贴在列车外围,其中IFTB1构成列车的近膜区,IFTB2构成列车的近微管区。由于每个IFTA外侧紧邻两个IFTB(inner和outer),所以反向列车中IFTA:IFTB=1:2,与正向列车的计量关系一致。


图3 反向列车中IFTA和IFTB的排列方式


在正向列车中,IFTA和IFTB复合物都垂直于微管表面,利于形成紧密堆叠结构;而在反向列车中,复合物都平行于微管表面,便于形成较长的线性结构,重复单位的间距也会增大。IFTA和IFTB彼此完全翻转,这种旋转变化使得IFTA从靠近膜的区域移动到反向列车的核心部分,即远离膜接触范围,使得正向列车中可能具有的货物结合功能不复存在。


图4 反向列车模型的原位交联质谱证据


为验证列车模型的准确性,研究人员以DSSO为交联剂,以突变体纤毛为原料,利用原位交联质谱鉴定到48个与IFT复合物相关的交联位点,其中9个涉及蛋白-蛋白相互作用。随后,研究人员将交联位点映射到反向列车模型中,发现两对交联位点(IFT139K720-IFT88K667和IFT139K617-IFT38K145,分别存在于IFTA:B1和IFTA:B2)彼此间距都小于30Å,与列车模型中IFTB包裹IFTA2中的IFT139所形成的相互作用一致。这些结果表明,列车模型中的重排现象真实反映了纤毛内反向列车的天然分子构象。


图5 IFT列车的重排改变了货物结合位点


研究人员推断,在顶端列车重塑过程中发生的构象变化将影响货物结合位点,这可能意味着某一货物在正向列车的结合位点因构象变化而被隐藏在复合物内部,变得无法靠近,这为解释双向IFT系统特定货物的单向运输提供了一种思路。例如,在正向列车中TLP1与纤毛膜直接接触,其C端结构域可与膜连接的货物相互作用。然而,在反向列车中,IFTA1二聚体形成的界面阻断了通往膜的路径,将TLP1隔离在列车靠近微管的一侧。


综上所述,该研究通过原位冷冻电子断层扫描和结构蛋白质组学对反向列车进行可视化,揭示了顶端重构涉及正向列车的完全拆卸和IFTA/B复合物的整体重排,阐述了货物结合位点的构象变化如何促进双向运输系统中的单向货物运输。结合前期对正向列车的研究,构建出了莱茵衣藻纤毛内列车运输过程的完整图景。



参考文献

Lacey SE, et al., Nat Struct Mol Biol, 2023



原文链接 

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00715-3


供稿 | 黄隽豪

责编 | 囡囡

设计 / 排版 | 可洲 




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