微管上动力蛋白-动力激活蛋白-接头蛋白复合物结构揭示了其招募与运动方式

真核生物细胞利用细胞骨架和马达蛋白来维持细胞质中的生命活动，动力蛋白（dynein）可以沿着微管来运输货物，它是一种多亚基的二聚体，必须结合一个分子量为1.1 MDa的动力蛋白激活蛋白（dynactin）和一个具有卷曲螺旋的货物接头蛋白才能被完全激活【1】。一旦激活后，动力蛋白就可以通过它的马达结构域行走在微管上，每个马达由一个6AAA+结构域圆环组成，马达结构域可能可以调节动力蛋白的运动能力，但是其相互作用目前尚不知晓【2】。另外，接头蛋白如何招募动力蛋白以及动力激活蛋白的方式也不知晓【3】。

2022年9月7日，来自英国MRC实验室的Andrew P. Carter课题组在Nature上发表了题为Structure of dynein–dynactin on microtubules shows tandem adaptor binding的文章。作者通过单颗粒技术解析了动力蛋白-动力激活蛋白-接头蛋白复合物的结构，发现了马达结构域以不对称的方式相互作用，也展示了未曾预料的双接头蛋白的存在，确定了其招募所需的结构域。

早先研究微管上动力蛋白相关复合物都是通过cryo-ET进行的，但是最终的分辨率往往比较低。因此作者采用cryo-EM单颗粒技术进行数据的收集与处理，样品为孵育了ATP类似物的AMPPNP的动力蛋白-动力激活蛋白-接头蛋白BICDR复合物。在数据处理过程中发现微管的信号极强，导致附着在上面的复合物二维分类模糊不清，所以作者将颗粒中微管的部分减去，只保留复合物的部分，后续便可清楚地对齐复合物进行计算（图1a）。

最终，作者解析出了复合物的整体密度图，后续通过局部修正得到了各部分高分辨率的密度图（图1b）。对密度进行分析，可以得出，两个动力蛋白二聚体（A和B）互相堆叠，每条重链（A1、A2、B1、B2）的马达结构域与微管相接触，另一侧结合在动力激活蛋白的沟槽中，另外还有两个BICDR与动力蛋白及动力激活蛋白进行相互作用（图1c）。

由于添加了AMPPNP，导致所有的马达结构域都处于相同的AMPPNP构象，可以清楚地分析6AAA+结构域各口袋中核苷酸的类型（图1d）。在AAA3结构域中可以看到AMPPNP的存在（图1e），尽管AMPPNP的数量已经饱和，但是在AAA1结构域中的密度仍然是ADP。说明相比于阻止AAA1的水解，AAA3中的ATP促使AAA1处于结合ADP的状态。

图1 动力蛋白-动力激活蛋白-接头蛋白BICDR的冷冻电镜结构

通过对复合物的结构分析，发现动力蛋白马达结构域间主要呈现出两种构造：对齐的（图2a）和交错的（图2b）。在对齐状态中，四条柄状结构互相平行地沿着微管运动，尽管二聚体内存在着相互作用，但是二聚体间并没有相互作用（图2a）；而在交错状态中A1的柄状结构为域A2柄状结构的后面，另外A2的马达结构域也额外与B1的LIC结构域结合（图2b）。

沿着动力蛋白运动方向分析，A1和B1分别位于A2和B2的右侧（图2a和图2b），而在二聚体内部，可以发现A1或者B1铰链的尾端与A2或者B2的两个点结合（图2c）。因此，可以发现A1和B1并没有被阻挡进行运动，反而是A2和B2被阻挡进行运动。另外，在交错状态中，A2同时也进一步被B1的LIC进行阻挡。这些发现可以总结出当动力蛋白进行行进时，是右侧的马达结构域（A1和B1）首先运动。

图2 马达结构域间的相互作用

在结构中，还有两个接头蛋白BICDR以不同方式作为脚手架支撑着复合物。BICDR-A穿过整个动力激活蛋白，与动力蛋白A及动力蛋白B相接触（图3a）；BICDR-B则只占据复合物的一半，主要与动力蛋白A相互作用（图3a），两个接头蛋白在BICDR-A与动力蛋白A结合处相互靠近，由大约30个残基介导相互作用，而在尖端终点分开（图3b）。分析接头蛋白与动力激活蛋白的作用，可以发现BICDR-A与动力激活蛋白的位点1、2、4相接触，而BICDR-B与动力激活蛋白的位点1、3接触。

图3 接头蛋白BICDR作为脚手架支撑着复合物

综上，作者通过利用单颗粒冷冻电镜技术解析出了高分辨的动力蛋白-动力激活蛋白-接头蛋白BICDR复合物结构，揭示了相邻两个动力蛋白马达结构域间不对称的相互作用并如何与动力蛋白移动相关，发现了两个接头蛋白以脚手架形式支撑着复合物，它们与动力蛋白或者动力激活蛋白的结合方式都存在着差异，对于此复合物的招募及运动方式提供了更深层次的发现。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05186-y

转自：“北京生物结构前沿研究中心”微信公众号

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