研究人員首次成功拍攝動力蛋白-Lis1 蛋白相互作用動態(tài)影像，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物研發(fā)提供重要支持。

索爾克研究所

5月23日

我們的細(xì)胞依賴微觀層面的“高速路”和“特種運輸車”完成所有物質(zhì)運輸，從定位細(xì)胞器到傳遞蛋白指令，再到清理細(xì)胞垃圾。這些“高速路”（即微管）和“運輸車”（即動力蛋白）對細(xì)胞功能與存活至關(guān)重要。

動力蛋白（Dynein）及其相關(guān)蛋白的功能障礙可能導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)發(fā)育障礙和神經(jīng)退行性疾病。例如，與動力蛋白協(xié)同作用的 Lis1 蛋白發(fā)生功能障礙時，會引發(fā)致命的罕見先天性缺陷——平腦癥（Lissencephaly，又稱“無腦回畸形”），目前尚無治愈方法。然而，針對修復(fù)動力蛋白或 Lis1 功能的靶向療法可能改寫這一悲劇性結(jié)局——而開發(fā)此類療法的關(guān)鍵，在于徹底解析這兩種蛋白的相互作用機制。

索爾克研究所（Salk Institute）與加州大學(xué)圣地亞哥分校（UC San Diego）的聯(lián)合研究團(tuán)隊首次拍攝到 Lis1 蛋白“激活” 動力蛋白的動態(tài)影像。通過分析這些影像，研究團(tuán)隊識別出兩種蛋白相互作用過程中呈現(xiàn)的 16 種構(gòu)象變化，其中部分形態(tài)為全球首次觀測。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計修復(fù)動力蛋白-Lis1 功能的藥物奠定了基礎(chǔ)——影像精確揭示了藥物分子可能作用的蛋白結(jié)合位點。研究結(jié)果于近日發(fā)表在《自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（Nature Structural & Molecular Biology）雜志上。

研究于2025年5月23日發(fā)表在《Nature Structural & Molecular Biology》（最新影響因子：12.5）雜志上

“我一直對馬達(dá)蛋白充滿興趣，而 dynein 尤其令我著迷——它是唯一能向細(xì)胞中心移動的動力蛋白，”論文共同通訊作者、索爾克研究所助理教授 Agnieszka Kendrick 表示，“實驗室先進(jìn)的成像技術(shù)使我們首次實現(xiàn)了dynein 與 Lis1 實時互動的動態(tài)捕捉。這種對兩者協(xié)作過程的精細(xì)解析，將幫助我們找到恢復(fù)神經(jīng)發(fā)育障礙和退行性疾病患者蛋白功能的新策略。"

背景揭秘：動力蛋白的“解鎖”之謎

動力蛋白由兩個完全相同的半體構(gòu)成，每個半體包含三個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：1）附著于微管的“莖干”（stalk），2）連接待運輸物質(zhì)的“尾部”（tail），3）提供動力的“馬達(dá)”（motor）。當(dāng)動力蛋白沿微管移動時，其姿態(tài)猶如行走——馬達(dá)消耗細(xì)胞能量分子 ATP，驅(qū)動莖干交替脫離、前擺并重新錨定下方微管。

作為唯一單向駛向細(xì)胞核（遺傳信息寶庫）的“運輸專列”，動力蛋白的活動受到嚴(yán)密調(diào)控。未承載貨物時，它會完全脫離微管“高速路”，以封閉的 “Phi態(tài)” 自由漂浮。近年來，Kendrick 團(tuán)隊致力于解析動力蛋白的“解鎖”機制。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：Lis1如何分步激活動力蛋白

“我們的成像技術(shù)全面升級了對動力蛋白-Lis1 相互作用的研究，”加州大學(xué)圣地亞哥分校教授、共同通訊作者 Andres Leschziner 博士表示，“通過動態(tài)影像而非靜態(tài)圖片，我們確認(rèn)了兩者互動過程中動力蛋白呈現(xiàn)的 16 種三維構(gòu)象，其中多種構(gòu)象為全球首次觀測。”

研究團(tuán)隊選用酵母作為模型：與人類細(xì)胞不同，酵母細(xì)胞在動力蛋白-Lis1 水平改變時仍可存活，且其動力蛋白結(jié)構(gòu)與人類高度同源，研究結(jié)果具有直接轉(zhuǎn)化價值。

借助酵母模型，研究人員分離純化動力蛋白與 Lis1，并通過急劇降溫減緩動力蛋白活動，最終利用時間分辨低溫電鏡（cryo-EM）捕捉到兩者從 “Phi態(tài)”（封閉）到 “Chi態(tài)”（開放）轉(zhuǎn)變的完整動態(tài)過程。

傳統(tǒng)低溫電鏡通過電子束構(gòu)建分子三維結(jié)構(gòu)，但僅能捕捉單一時間點的靜態(tài)圖像。此次研究創(chuàng)新引入時間分辨技術(shù)，通過連續(xù)捕捉不同時間點的結(jié)構(gòu)變化，首次生成動力蛋白-Lis1 互動的“分子電影”。這一突破使科學(xué)家能夠追蹤亞秒級結(jié)構(gòu)變化，完整解析動力蛋白從封閉到激活的逐步轉(zhuǎn)變。

時間分辨低溫電鏡揭示Lis1在ATP水解過程中對動力蛋白構(gòu)象動態(tài)的調(diào)控作用

Lis1 由兩個相同半體組成，首階段其中一個半體與動力蛋白的馬達(dá)結(jié)構(gòu)域結(jié)合，解除其封閉狀態(tài)，并通過構(gòu)象重塑提升 ATP 利用效率——ATP 作為細(xì)胞能量貨幣，是驅(qū)動動力蛋白“行走”的關(guān)鍵。這一“能量引擎”的啟動，標(biāo)志著動力蛋白獲得沿微管移動的能力。Lis1 的第二個半體隨后結(jié)合至動力蛋白莖干，完成激活并穩(wěn)定 “Chi態(tài)”，同時進(jìn)一步增強馬達(dá)活性，使動力蛋白進(jìn)入“全速運轉(zhuǎn)”模式。

這項突破不僅揭示了動力蛋白激活的分子舞蹈，更首次以動態(tài)視角定位了 Lis1 的作用靶點。正如 Kendrick 教授所言：“這些影像如同分子導(dǎo)航儀，為設(shè)計恢復(fù)動力蛋白-Lis1 功能的藥物指明了精確作用位點。”

Lis1增強動力蛋白的基礎(chǔ)ATP酶活性

未來展望：修復(fù)神經(jīng)發(fā)育與退行性疾病中的Lis1-動力蛋白功能障礙

“這些發(fā)現(xiàn)讓我們前所未有地接近答案——理解 Lis1 功能障礙為何對動力蛋白活性造成毀滅性打擊，以及這種破壞如何最終引發(fā)神經(jīng)發(fā)育障礙和退行性疾病，” Kendrick 教授表示。

此次獲得的高分辨率三維結(jié)構(gòu)洞察，為治療神經(jīng)發(fā)育障礙和神經(jīng)退行性疾病中的 Lis1-動力蛋白功能障礙開辟了新路徑。未來研究可進(jìn)一步探索 Lis1 不同突變?nèi)绾斡绊懫渑c動力蛋白的相互作用，以及這種相互作用紊亂如何導(dǎo)致平腦癥等罕見遺傳病。最終，對這兩種蛋白物理結(jié)構(gòu)的認(rèn)知越深入，設(shè)計出能精準(zhǔn)“嵌入”其結(jié)構(gòu)并恢復(fù)功能的藥物將越容易實現(xiàn)。

創(chuàng)立于1960年的索爾克研究所

參考文獻(xiàn)

Source：Salk Institute

Action! Proteins critical to healthy brain development captured on film

Reference：

Kendrick, A.A., Nguyen, K.H.V., Ma, W. et al. Multiple steps of dynein activation by Lis1 visualized by cryo-EM. Nat Struct Mol Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41594-025-01558-w

       原文標(biāo)題 : 醫(yī)學(xué)突破！健康大腦發(fā)育關(guān)鍵蛋白動態(tài)影像首次問世