显微电影捕捉大脑中的蛋白质，揭示了对形状和功能的新见解

我们的细胞依靠微观高速公路和专门的蛋白质载体来移动一切——从定位细胞器到携带蛋白质指令再到处理细胞垃圾。这些高速公路（称为微管）和载体（称为运动蛋白）对细胞功能和生存是不可或缺的。

运动蛋白及其相关蛋白的功能障碍可导致严重的神经发育和神经退行性疾病。例如，运动蛋白动力蛋白的伴侣蛋白Lis1的功能障碍可能导致罕见的致命出生缺陷——无脑畸形，即“大脑光滑”，目前尚无治愈方法。但是，靶向并恢复动力蛋白或Lis1功能的疗法可能会改变这些令人沮丧的结果，而开发这些疗法取决于彻底了解动力蛋白和Lis1是如何相互作用的。

索尔克研究所和加州大学圣地亚哥分校的新研究捕捉到了Lis1“开启”dynein的短片。这些电影使研究小组能够编目这两种蛋白质在相互作用时所采取的16种形状，其中一些形状以前从未见过。这些见解将是设计未来恢复动力蛋白和Lis1功能的疗法的基础，因为它们揭示了药物可以与蛋白质相互作用的精确位置。

该研究结果于2025年5月23日发表在《自然结构与分子生物学》上。

Salk助理教授、合著者Agnieszka Kendrick说：“我一直对运动蛋白感兴趣，但动力蛋白对我来说尤其迷人，因为它是唯一可以向细胞中心移动的运动蛋白。”。

“我们今天在实验室里拥有的令人印象深刻的工具使我们能够制作一部动态蛋白和Lis1实时相互作用的电影。对它们逐步合作的详细视图将帮助我们找到恢复它们在神经发育和神经退行性疾病中的活动的方法。”

动态蛋白由两个相同的部分组成，每个部分都包含1）一个附着在微管上的“柄”，2）一个连接到蛋白质所牵引的任何东西的“尾”，3）一个为其旅行提供动力的“马达”。动力蛋白的物理运动看起来有点像行走——当马达消耗称为ATP的细胞燃料时，茎会轮流分离、向前摆动并重新连接到下面的微管上。

由于动力蛋白是通往有价值的遗传库（即细胞核）的单程票，其活性受到严格调控。当它不携带任何东西时，动力蛋白完全脱离微管高速公路，在一种被称为“Phi”的锁定状态下自由漂浮。在过去的几年里，Kendrick和他的同事们一直在努力拼凑动力蛋白是如何“解锁”的。

到目前为止，他们的研究表明，Lis1起着关键作用，将自己楔入动力蛋白的结构中，并将其解锁成一个名为“Chi”的开放形状。然而，这些见解是基于动力蛋白和Lis1的静止图像，这些图像是在它们相互作用的不同阶段偶尔拍摄的。虽然从这些冻结帧中可以学到很多东西，但对这两种蛋白质如何相互作用的更深入理解只能通过观察它们的作用来实现。

“我们对dynein和Lis1的成像方法比以前对这种蛋白质的任何研究都更全面，”加州大学圣地亚哥分校教授、合著者Andres Leschziner说。“通过拍摄电影而不是图片，我们确认了dynein在与Lis1交互时所呈现的16个详细的3D形状，其中一些形状在我们的研究中是完全独特的。”

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该团队使用酵母模型来捕获动力蛋白和Lis1，因为与人类细胞不同，酵母细胞在动力素和Lis1水平改变时可以存活。由于动力蛋白的结构在人类和酵母细胞中的功能是相同的，我们对酵母动力蛋白所了解的仍然可以应用于人类动力蛋白。

使用这种酵母模型，研究人员分离出动力蛋白和Lis1，并大幅降低温度以减缓动力蛋白的活性。然后，他们使用时间分辨低温电子显微镜（cryo-EM）拍摄了一部关于动力蛋白与Lis1相互作用的高清3D电影，该电影可以表示动力蛋白Phi（锁定）和Chi（解锁）状态之间的时间线。

Cryo-EM使用电子束构建分子的3D图像，细节到原子。先前的研究已经使用冷冻EM和其他成像方法来构建动力蛋白在锁定和解锁状态下的图像。然而，时间分辨成分是新的。时间分辨捕获不是在单个时间点捕获单个结构，而是随着时间的推移识别不同的结构以创建电影。这使得索尔克和加州大学圣地亚哥分校的科学家能够追踪动力蛋白结构的亚秒级变化，解释了从锁定状态过渡到解锁状态所需的逐步过程。

新视频显示，激活动力蛋白的第一步涉及Lis1与动力蛋白运动亚基的连接。与dynein一样，Lis1也由两个相同的半部分组成。在第一次相互作用中，Lis1的一半附着在动力蛋白上，进而解除动力蛋白的锁定状态，并通过改变其形状来打开其马达，以促进更快速、更有效地利用ATP——自然界的能量分子。开启这个以ATP为燃料的引擎是启动动力蛋白在细胞微管高速公路上行进的能力的关键。

然后，Lis1的后半部分附着在dynein上——这次是在茎上。第二次Lis1相互作用完成了激活并巩固了dynein的Chi状态。它还进一步增加动力蛋白的运动活动，使其加速运动。

Kendrick说：“这些发现无疑使我们比以往任何时候都更接近理解为什么Lis1功能障碍对动力蛋白活性有如此毁灭性的影响，以及这如何导致未来的发育和神经疾病。”。

对动力蛋白和Lis1的新的高分辨率3D结构见解可能为治疗它们在神经发育和神经退行性疾病中的功能障碍铺平道路。未来的研究可以探索Lis1的不同突变如何影响其与动力蛋白的相互作用，以及这如何导致无脑畸形和其他罕见的遗传性疾病。最终，对这两种蛋白质的物理结构了解得越多，就越容易制造出“适合”这些结构并恢复其活性的药物。

其他作者包括加州大学圣地亚哥分校的Kendrick Nguyen、Eva Karasmanis和Rommie Amaro；加州大学圣地亚哥分校和霍华德休斯医学研究所的萨马拉·雷克·彼得森；佛蒙特大学的温马。p