論文解讀

研究背景

細胞質動力蛋白-1（cytoplasmic dynein-1, dynein）是一種保守的分子馬達，負責向微管負端運輸RNA、囊泡等貨物，并參與細胞分裂。其功能異常與神經發育疾�。ㄈ鐭o腦回畸形）和神經退行性疾病密切相關。dynein的活性受自抑制構象（Phi粒子）嚴格調控，而調控因子Lis1（Lissencephaly-1）的突變會導致無腦回畸形。盡管已知Lis1能解除dynein的自抑制，但其具體分子機制尚不明確。此前研究多依賴非水解ATP類似物或突變體，無法捕捉動態構象變化。因此，解析Lis1如何通過調控dynein的ATP水解循環促進其激活，成為領域內亟待解決的關鍵問題。

研究方法

加州大學圣地亞哥分校的Agnieszka A. Kendrick團隊聯合多個研究組，利用冷凍電鏡（cryo-EM）和時間分辨樣本制備技術，對酵母dynein單體與Lis1在ATP存在下的不同時間點（0.5分鐘和30分鐘）進行結構解析。通過高斯加速分子動力學（GaMD）模擬分析構象動態，并結合ATP酶活性測定實驗，驗證Lis1對dynein基礎ATP水解速率的調控作用。

研究結果

1. Cryo-EM揭示dynein在ATP水解中的構象多樣性
通過冷凍電鏡解析了dynein在ATP水解過程中的16種高分辨率結構（最高分辨率2.8 ?），包括7種獨特的dynein或dynein-Lis1復合體構象。根據連接區（linker）形態分為三類：伸直（straight）、中間態（intermediate）和彎曲（bent）。其中，伸直構象的dynein與微管強結合狀態（α-register）相關，而彎曲構象對應弱結合狀態（β-register）。

2. Lis1通過結合雙位點調控dynein構象
Lis1通過兩個β-螺旋槳結構域分別結合dynein的AAA3-AAA4界面（site_ring）和莖部（site_stalk）。中間態dynein可結合兩個Lis1，而伸直構象僅能結合一個。分子動力學模擬顯示，Lis1結合后通過鹽橋（D2868-K1424）穩定連接區，同時削弱AAA3與AAA4的界面接觸，促進ADP釋放。

3. Lis1提高dynein的基礎ATP酶活性
ATP酶實驗表明，Lis1以濃度依賴性方式將dynein的ATP水解速率提高2倍，而無法結合dynein的Lis1突變體（Lis1-5A）無此效應。破壞Phi粒子形成的dynein-D2868K突變體同樣顯示ATP酶活性升高，證實自抑制狀態會限制dynein的機械化學循環。

4. 構象動態與激活模型
研究提出dynein激活的兩步模型：Lis1首先破壞Phi粒子形成Chi中間體（含兩個dynein和兩個Lis1二聚體），隨后通過提高ATP水解速率促進dynein構象轉變為開放狀態，最終與動力激活蛋白（dynactin）和適配體組裝為活性復合體。

研究意義

該研究首次系統揭示了Lis1通過多步構象調控dynein活性的分子機制，闡明了神經發育疾病相關突變的潛在病理基礎。時間分辨冷凍電鏡技術的應用為研究其他分子馬達的動態調控提供了范式。此外，發現dynein的ATP酶活性與其自抑制狀態直接相關，為開發靶向dynein的小分子藥物提供了新思路。