动物所等在非典型肌球蛋白Myo5a调节机制方面取得进展

　　与原核细胞相比，真核细胞有着庞大的体积和复杂的胞内系统。真核细胞胞内的物质转运不仅仅依赖于非特异性扩散，更依靠于主动运输。真核细胞的细胞骨架(cytoskeleton)系统是胞内运输的主要通路。在细胞骨架上运输物质的运载工具被称为马达蛋白。马达蛋白可分为三类：肌球蛋白(Myosin)、驱动蛋白(Kinesin)和动力蛋白(Dynein)。驱动蛋白和动力蛋白在微管(Microtubule)上运动，而肌球蛋白在由肌动蛋白(actin)组成的细丝上运动。通过与actin细丝的相互作用，肌球蛋白可以将ATP水解产生的化学能转化成机械能。

　　肌球蛋白可分为三十多类型，其中II型肌球蛋白又被称为典型肌球蛋白(conventional myosin)，主要参与肌肉收缩，而其它类型的肌球蛋白又被称为非典型肌球蛋白(unconventional myosin)，参与细胞的运动以及细胞内各种物质的转运。第五类非典型肌球蛋白(unconventional myosin-5, Myo5) 是目前研究最为深入的一类非典型肌球蛋白。在果蝇中，Myo5参与视觉蛋白囊泡以及色素囊泡的转运，与果蝇复眼的发育以及光适应（瞳孔反应）有关。在哺乳动物中，Myo5参与黑色素颗粒的转运，与皮肤的颜色深浅有关；参与神经细胞中的受体转运，与记忆形成有关。Myo5的突变可以引起人的遗传疾病，如Myo5a突变可以引起Griscellis综合症，Myo5b突变可引起小肠微绒毛内陷症。因此，对Myo5马达蛋白的研究可以促进人们对相关疾病机理的认识，为这些疾病的预防以及治疗提供科学依据。

　　中国科学院动物研究所研究员李向东领导的研究组主要从事非典型肌球蛋白的结构、功能以及调节机理方面的研究。李向东最早提出了关于Myo5调节机理的尾部抑制假说：Myo5的球形尾部结构域（GTD）通过与其马达头部结合，从而抑制其马达头部的活性；而高浓度的钙离子或者“货物蛋白”可以打破头尾相互作用，进而激活其马达活性。近年来，该研究组在Myo5马达活性调节的分子机理方面取得了一系列研究成果。该研究组发现尾部抑制假说不仅适用于哺乳动物Myo5的三种亚型（a, b, c）（JBC 2016a），同时也适用于果蝇Myo5（Biochem J，2015）。该研究组发现Myo5a的GTD是通过不同的区域与马达头部及货物蛋白Melanophilin结合的，由此提出Melanophilin通过别构效应来减弱Myo5a的头尾相互作用，从而激活其马达活性（Sci Rep. 2015），进一步的研究表明Myo5a的GTD以双体的形式抑制马达头部的活性（JBC 2016b）。

　　Myo5a的马达活性受钙离子激活，但其分子机制尚不清楚。Myo5a包含有6个IQ模序，这些IQ模序可以结合6个钙调蛋白（CaM），一般认为第二位IQ模序在钙离子调节Myo5a头尾相互作用中起关键作用。该研究组的研究推翻了上述观点，证明第一位IQ模序（IQ1）在钙离子调节Myo5a中起着关键作用，提出结合于IQ1的钙调蛋白（CaM）参与Myo5a的头尾相互作用，钙离子的结合引起CaM构象变化，解除了头尾相互作用，进而激活马达活性（JBC 2012）。

　　最近，该研究组解析了高钙条件下Myo5a马达头部及IQ1与CaM复合体的蛋白晶体结构，发现钙离子结合引起位于IQ1上的CaM发生构象反转。这个发现支持了该研究组先前提出的IQ1及其结合的CaM是Myo5a响应钙离子信号的关键部位的观点。生化分析和单分子实验显示，在结合钙离子过程中，CaM始终与IQ1结合，因此CaM-IQ1复合体可以看做一个完整的钙离子响应蛋白。进一步的动力学分析表明，CaM-IQ1复合体具有与游离CaM不同的钙离子结合特性，更为重要的是CaM-IQ1复合体的钙离子释放速度比游离CaM慢很多，暗示Myo5a被钙离子激活之后，可以较长时间保持激活状态。根据上述研究结果，提出了CaM-IQ1复合体在钙离子结合与解离过程中的构象变化模型。这项研究以Calmodulin in complex with the first IQ motif of myosin-5a functions as an intact calcium sensor为题目，于9月19日在线发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。中科院动物所博士沈梅、博士生张宁以及北京生命科学研究所博士郑三多为共同第一作者，李向东为通讯作者。

　　该研究得到了周边院所的大力支持，北京生命科学研究所研究员叶克穷和郑三多参与了蛋白晶体结构的解析，北京大学生物动态光学成像中心 (Biopic)研究员孙育杰和博士生苏乾参与了单分子实验的数据分析。中科院生物物理研究所刘迎芳研究组在蛋白结晶方面提供了帮助，清华大学化学系刘冬生研究组在动力学分析方面提供了方便。该研究得到了科技部“973”项目和国家自然科学基金的资助。