南科大學者揭示細胞「物流系統」分子機制

近日，南方科技大學生物系副教授魏志毅課題組與餘聰課題組合作在在Science Advances上以「F-actin disassembly factor MICAL1 binding to Myosin Va mediates cargo unloading during cytokinesis」為題發表研究論文，揭示細胞內廣泛存在的分子馬達蛋白所介導的物質運輸的新機制。

類似現實世界中複雜的物流系統，細胞內物質的運輸及分配也需要進行嚴格的時空調控，保證貨物可以在準確的時間被輸送到指定的地點，發揮特定的生物學功能，這是維持細胞正常生長、增殖、分裂、分化等生命活動的重要基礎。細胞內物質的有序運輸，依賴於細胞骨架和分子馬達蛋白二者相互配合來完成。前者相互交叉形成網絡，分布於整個細胞中，為細胞內各類物質轉運提供軌道；而後者則是胞內物質運輸的直接承載者，負載貨物行走於細胞骨架構成的軌道上，將貨物運送到特定區域。一旦細胞內物質運輸體系發生紊亂，則會引發各類疾病。研究表明，多種神經退行性疾病，如阿爾茲海默症、亨廷頓舞蹈症等，都與神經元軸突中分子馬達蛋白介導的物質運輸受阻有關。同時，糖尿病，腫瘤和心血管類疾病的發生也都與胞內囊泡運輸失調息息相關。因此，對分子馬達蛋白介導的胞內物質運輸的機理研究一直是生命科學領域的熱點。

圖1. MyoVa和MICAL1相互結合併共定位於細胞分裂中間體（midbody）

V型肌球蛋白是發現最早也是最具代表性的在微絲細胞骨架上行走的運輸型肌球蛋白，對其結構和功能的研究一直引領著對於整個肌球蛋白家族功能的理解。魏志毅、餘聰的研究以人體中一類常見的V型肌球蛋白（MyoVa）作為研究對象，發現一種細胞骨架解聚因子MICAL1可以直接結合MyoVa，並與MyoVa共定位於細胞分裂中間體（一種決定細胞分裂的重要細胞器）。進一步的細胞實驗顯示，MICAL1招募MyoVa並調控其運輸的貨物囊泡成功卸載於中間體區域，為細胞分裂提供所需的信號分子和膜組分。通過結構生物學分析，該研究團隊發現微絲細胞骨架解聚因子和聚合因子可以競爭性地與MyoVa相結合，並通過控制MyoVa行走軌道的組裝和去組裝，對MyoVa的貨物運輸進行調控，這一發現得到了生物化學和細胞生物學多種方法的驗證。根據這些研究發現，文章提出了V型肌球蛋白的貨物運輸新機制。在貨物轉運的起點，V型肌球蛋白招募細胞骨架聚合因子來「鋪路」並啟動運輸；到達目的地後，微絲解聚因子通過競爭結合V型肌球蛋白, 促使細胞骨架聚合因子離開，同時進行「拆路」，終止V型肌球蛋白的運輸從而卸載貨物。該研究首次提出分子馬達蛋白可以在不同的時間和地點，通過競爭性招募不同的行走軌道調節因子，進而控制其行走軌道的動態變化來調控貨物的準確裝載、運輸和卸載，對胞內物質運輸的時空調控提供了一種全新的思路。

圖2. V型肌球蛋白競爭性招募微絲細胞骨架聚合因子Spire和解聚因子MICAL1來控制微絲動態變化以運輸並卸載貨物的分子模型

魏志毅課題組研究助理教授牛鋒鋒、餘聰課題組科研助理孫康為論文的共同第一作者，魏志毅和餘聰為共同通訊作者，分析測試中心博士魏聞捷參與了細胞數據的整理和分析，南方科技大學為論文的第一通訊單位。研究得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、廣東省科技計劃項目、深圳市科創委基金、深港腦科學創新研究院、南方科技大學分析測試中心和上海光源的大力支持。