Nature Communications:驱动蛋白研究取得进展

《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了中国科学院生物物理研究所冯巍课题组撰写的题为The architecture of kinesin-3 KLP-6 reveals a multilevel-lockdown mechanism for autoinhibition的研究论文。该研究首次报道kinesin-3家族KLP-6蛋白处于自抑制状态的全长蛋白高分辨率结构；采用生物化学和细胞生物学手段阐释kinesin-3的多层次自抑制机制，为探索kinesin-3的活性调控奠定基础。　　 驱动蛋白（kinesin）是马达蛋白的一种，存在于多细胞生物体内，依靠水解ATP提供能量，沿着25纳米粗细的微管轨道运输各种货物以供应细胞生命活动。驱动蛋白在细胞中执行大量关键任务，因而其活性受到严格调控。驱动蛋白失活或过度激活均会对细胞正常功能的发挥产生不利影响，导致多种疾病发生。　　 多年来，冯巍课题组致力于驱动蛋白激活与自抑制分子机制的研究。课题组运用生化和细胞生物学手段，提出kinesin-3家族蛋白二聚化的结构模型，并揭示其由马达结构介导的自抑制机制。然而，由于全长蛋白结构模型的缺失，关于驱动蛋白激活和抑制状态的认知尚不完整。　　 基于驱动蛋白自身的特点，获得性质均一的全长驱动蛋白是颇挑战性。本研究中，经过反复筛选，科研人员将研究对象锁定为来自线虫的kinesin-3 KLP-6。经过蛋白表达和纯化方式的不断摸索，研究最终得到蛋白并解析了KLP-6全长蛋白的X-射线晶体结构。得益于全长蛋白的结构解析，研究首次观察到完整的、处于抑制状态下的驱动蛋白结构。结构分析显示，整个KLP-6蛋白呈紧凑的自折叠状态，蛋白中的Coiled-Coil区域（CC1和CC2）与内部多个不同结构域协同工作，依次锁定KLP-6的颈部区域和马达结构域。其中，CC1熔断成三个短的螺旋，这些短螺旋与马达结构域、颈部区域相互作用，限制颈部区域的二聚化。同时，CC2与其相邻的FHA、MBS结构域以及尾部的MATH结构域整合形成一个超模块。该超模块包裹在马达结构域外围，一方面阻止马达结构域中ADP分子的释放，另一方面妨碍马达结构域与微管轨道的结合。基于这些结构特征，该研究提出kinesin-3多层次自抑制的模型，并通过在内部互作界面上引入点突变来验证该模型的合理性。研究分析了已知疾病相关点突变在结构中的具体位置，结果显示一些点突变恰好位于不同结构域间的互作界面上，暗示这些点突变可能通过解除驱动蛋白的自抑制，造成蛋白的过度激活从而进一步导致疾病发生。