生物物理学家揭示了三种蛋白质如何相互作用以微调细胞运动

　　来源：erurekalert

　　一个人类细胞含有多达10万种不同的蛋白质。肌动蛋白是其中最丰富、最重要的一种。这种蛋白质形成细丝，帮助构成细胞骨架，赋予细胞形状。当肌动蛋白丝拉长时，它们就像肌肉一样，推动细胞的内膜使其向前移动。

　　已知还有另外三种蛋白质驱动肌动蛋白的活动。一类蛋白质将单个肌动蛋白分子组装成肌动蛋白丝，另一类蛋白质使肌动蛋白丝停止生长，第三类蛋白质分解肌动蛋白丝。

　　然而，埃默里大学的生物物理学家发现了这三种蛋白质如何共同影响肌动蛋白动力学的更复杂和微妙的观点。《Nature Communications》发表了这一发现，展示了这些蛋白质有时如何从独奏或二重唱转变为三重唱，从而使它们能够微调肌动蛋白丝的活性。

　　这一发现为研究细胞运动动力学打开了另一扇窗，细胞运动动力学是从干细胞分化、伤口愈合到癌症等疾病发展等过程的关键。

　　

　　“我们发现，当这三种蛋白质单独工作时，它们做一件事，当其他两种蛋白质加入它们时，它们做的是完全不同的事情，”埃默里大学物理学和细胞生物学助理教授、该研究的资深作者Shashank Shekhar说。“它变得非常复杂，非常快。”

　　“没有人研究过所有这些蛋白质在肌动蛋白上同时相互作用，”该研究的第一作者之一、埃默里大学生物化学、细胞和发育生物学博士候选人Heidi Ulrichs补充道。“我们的论文是首次报道这三种物质占据肌动蛋白丝的同一带刺末端。”

　　Ulrichs与Shekhar实验室的博士后Ignas Gaska密切合作，后者是这篇论文的共同第一作者。

　　对蛋白质如何单独作用于肌动蛋白的研究是相对较好的表征。

　　一种聚合酶蛋白，如formin，驱动肌动蛋白的延伸。formin蛋白将自己定位在肌动蛋白丝的末端，抓住自由漂浮的肌动蛋白分子，并将它们一个接一个地堆叠起来，以保持末端的生长。

　　解聚合酶蛋白，如twinfilin，是影响肌动蛋白的另一类蛋白质。Twinfilin的工作原理就像一个棉线滚筒，它与纤维的末端结合，一次剥离一个分子。Twinfilin可以重复这个过程来完全分解肌动蛋白丝。

　　被称为“capping”的蛋白质可以阻止丝状物的伸长和解体。capping附着在肌动蛋白丝的末端，像帽子一样盖住它，阻止其他蛋白质的活动。

　　这些知识是通过每次分离一种蛋白质来研究它如何影响肌动蛋白而建立起来的。最近的研究也表明，Twinfilin蛋白和capping蛋白之间同时存在相互作用。

　　在目前的研究中，研究人员想要探索formin, twinfilin和capping蛋白是否能同时作用于肌动蛋白。

　　“肌动蛋白丝的末端非常小，只有5纳米宽，”Shekhar解释说。“一种想法是，没有足够的空间让三种蛋白质同时作用于一条肌动蛋白丝。”

　　Shekhar实验室是世界上少数几个使用微流体辅助全内反射荧光显微镜（mf-TIRF）的高度专业化技术来研究肌动蛋白细胞骨架如何自我重塑的实验室之一。

　　细胞中挤满了成千上万的蛋白质，它们四处移动，执行不同的功能，因此不可能追踪所有的蛋白质。研究人员必须分离出感兴趣的蛋白质，并在细胞系统外进行研究，方法是将它们引入显微镜载玻片上的微流体系统。

　　mf-TIRF技术允许Shekhar实验室将荧光球附着在单个蛋白质分子上，以便研究人员可以通过显微镜更好地观察这些分子的行为。

　　在实验中，研究人员用四种不同的颜色标记了肌动蛋白、formin、twinfilin和capping蛋白的分子，这些分子发出荧光。然后，他们将肌动蛋白引入微流体系统，并一次添加一种其他蛋白质。

　　结果让他们大吃一惊。

　　当在formin和capping蛋白同时存在的情况下加入twinfilin（一种分解肌动蛋白丝的蛋白质）时，twinfilin实际上加速了丝的伸长过程。

　　Ulrichs说：“这是违反直觉的，很酷。从事科学研究，你总是会感到惊讶。”

　　单独的Twinfilin不能连接肌动蛋白丝末端的formin。然而，当capping蛋白也存在时，这三种蛋白可以同时在肌动蛋白丝的微小表面上共同作用。

　　Shekhar将这三种蛋白质共同作用的效果比作一个旋钮，可以更精确地控制一个过程。

　　他说：“我们的发现建立了一个新的范例，在这个范例中，这三种蛋白质协同工作，微调肌动蛋白细丝形成的快慢。”

　　这三种蛋白质如何与肌动蛋白相互作用的动力学是解开细胞如何正常运作以及出现问题时会发生什么的复杂谜团的基础。

　　Ulrichs说：“我们正在一步一步地、一项接一项地研究细胞内部发生的动态，从而积累知识。”

　　期刊：Nature Communications

　　文章标题：Multicomponent regulation of actin barbed end assembly by twinfilin, formin and capping protein

　　文章发表日期：6-Jul-2023

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