細胞自噬（autophagy）是真核細胞內一種必不可少且高度受調控的，利用溶酶體來清除大型蛋白聚集體、受損細胞器、入侵病原體等成分以應對內外界細胞壓力和維持細胞動態平衡的重要分解代謝過程。細胞自噬在細胞生長、胚胎發育、天然免疫等眾多生理過程中扮演著重要的角色。Myosin VI是真核細胞內唯一一個沿著微絲反向運輸（從微絲正端向負端運輸）的非經典的肌球蛋白分子馬達，在細胞自噬和內吞途徑等眾多的細胞過程中扮演著重要的角色，其功能的缺失或異常與大量的人類疾病相關聯，例如，肥厚性心肌病、宮頸癌、前列腺癌症、耳聾、腦星形膠質細胞增多症等。在自噬過程中，Myosin VI可以通過結合內吞體相關蛋白Tom1以及自噬受體蛋白TAX1BP1、NDP52和Optineurin，介導內吞體和自噬體的融合，並促進自噬體的成熟。然而，由於缺乏詳細的機制研究，Myosin VI如何精準地識別Tom1，兩者的結合模式又是怎樣？Myosin VI是怎樣通過與Tom1以及自噬受體蛋白的結合從而促進自噬體和內吞體的融合？這些問題目前尚不清楚。
近期，中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室潘李鋒研究組發表了題為《Myosin VI/Tom1的複合物結構揭示了一種用於錨定的肌球蛋白Myosin VI的貨物蛋白識別模式》的研究論文(Nature Communications. 2019, 10(1):3459)。在該研究中，團隊成員首先開展了大量的生化實驗，確認了Tom1和Myosin VI羧基末端CBD結構域發生相互作用的結合區域，然後成功地獲得了Myosin VI的羧基末端CBD結構域結合Tom1的複合物的高分辨晶體結構。與生化實驗結果相一致，在解析的晶體結構中Myosin VI和Tom1採取了特殊的1：1化學計量比的結合模式。由於Myosin VI羧基末端CBD結構域過去還被報導可以結合Dab2，而Dab2的結合會誘導Myosin VI形成二聚體，從而發揮其行走的功能。通過詳細比較Myosin VI/Tom1和Myosin VI/Dab2的複合物結構，並結合相關的NMR和ITC實驗，進一步證實Tom1的結合不會誘導Myosin VI發生二聚或寡聚。因此，不同於目前已知的貨物蛋白結合誘導Myosin VI形成二聚體或寡聚體，從而發揮Myosin VI連續行走功能的結合模式，該研究解析的Myosin VI/Tom1的複合物晶體結構揭示了Myosin VI一種新的貨物蛋白結合模式：貨物蛋白結合後Myosin VI仍然以單體形式存在，從而發揮其錨定和捆綁的功能。
接著，該團隊通過NMR實驗證實緊鄰羧基末端CBD結構域的Myosin VI的RRL模序區域可以識別自噬受體蛋白TAX1BP1、NDP52和Optineurin，但三者結合Myosin VI的模式不完全一致。進一步的免疫共沉澱實驗表明，Myosin VI可以作為橋聯蛋白，同時與Tom1和這些自噬受體蛋白發生相互作用，並形成三元複合物。有趣的是，雖然細胞內實驗能檢測到Myosin VI和自噬受體蛋白的結合，但各類體外實驗都表明，兩者結合的親和力非常弱，無法形成穩定的複合物。後續的體外研究表明在Myosin VI/Tom1/自噬受體蛋白三元體系中加入多聚泛素鏈蛋白後，通過分析型凝膠色譜層析可以分離得到穩定的Myosin VI/Tom1/自噬受體蛋白/多聚泛素鏈的四元複合物。這表明泛素鏈可以進一步促進和穩定Myosin VI/Tom1/自噬受體蛋白複合物的形成，從而利於後續內吞體和自噬體的融合過程。最後，該研究描繪出Myosin VI協同Tom1、相關泛素鏈和自噬受體蛋白來介導內吞體和自噬體的融合，進而促進自噬體成熟的機制模型圖。總之，此項研究首次報導了Myosin VI羧基末端CBD結構域和Tom1的複合物的高解析度晶體結構，揭示了Myosin VI和Tom1之間獨特的結合模式，並完善了Myosin VI協同Tom1、泛素蛋白和自噬受體蛋白TAX1BP1、NDP52或Optineurin來介導內吞體和自噬體的融合，進而促進自噬體成熟的分子機制。
潘李鋒課題組博士胡世塵為論文的第一作者，上述研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、中科院和生命有機化學國家重點實驗室的資助。
肌球蛋白Myosin VI結合Tom1和相關自噬受體蛋白促進自噬體成熟的分子機制