生化状态和力协同作用的新证据

在爬行细胞的前缘内，错综复杂的杆状肌动蛋白丝网络以不同的角度向细胞膜延伸，逐个延长蛋白质。撞击时，纵横交错的杆从膜上掠过并弯曲，因为无数细丝的集体力将细胞向前推动。

这些细丝有多灵活，以及它们如何有效地招募必需的调节蛋白来发挥作用，取决于组成它们的各个肌动蛋白的特性。现在，《自然》杂志上的一项新研究提供了高分辨率结构，显示了肌动蛋白的两种关键生化状态如何与弯曲力共同作用，以确定肌动蛋白如何与其他蛋白质相互作用。

洛克菲勒的GregoryAlushin说：“当你在混合中增加力量时，你会看到巨大的变化。”“我们提供了明确的证据，表明肌动蛋白的这些生化变化只能通过细丝的机械特性来读取。”

重新审视蛋白质控制

肌动蛋白丝是肌动蛋白的长聚合物，首尾相连。细丝内的肌动蛋白可以以两种重要的生化状态之一存在。新添加到聚合物中的肌动蛋白含有磷酸盐分子，而老化的肌动蛋白则不含;否则，这两个状态或多或少是相同的。但是肌动蛋白结合蛋白可以区分它们，它们会根据肌动蛋白的状态结合或忽略细丝。

肌动蛋白结合蛋白如何区分这些状态是一个长期存在的谜团。一些人提出磷酸盐以某种方式改变了肌动蛋白的形状，使肌动蛋白结合蛋白在体内从人群中挑选出来。事实上，当其他分子锁定它们时，许多酶可以在形状之间转换，这一过程称为变构调节。假设肌动蛋白没有什么不同是有道理的。

但在不知道肌动蛋白的两种生化状态究竟是什么样子的情况下，这只是一种猜测。Alushin想知道这个故事是否还有更多内容。“如何控制蛋白质是一个古老的问题，”他说。“已经有一段时间没有探索新的想法了。”

方法论的飞跃

Alushin实验室的研究生MatthewReynolds开始研究每个州的高分辨率结构。在检查这些结构后，结合的磷酸盐和水分子被清楚地分辨出来，研究小组发现这两种肌动蛋白状态仍然无法有效区分。

无论肌动蛋白是否与磷酸盐结合，这些结构都具有几乎相同的细丝晶格和蛋白质骨架。如果涉及标准变构调节，肌动蛋白与磷酸盐结合时会发生显着变化——调节蛋白可以用来区分一种肌动蛋白与另一种肌动蛋白的主要差异。但是观察到的差异对于肌动蛋白结合蛋白来说似乎太小了，无法区分它们。

为了寻找替代解释，该团队开发了一种机器学习方法，在他们的低温电子显微镜图像中找到相对较少数量的弯曲细丝，以分析它们的结构。然后，他们确定了两种生化状态下弯曲细丝的结构，其中当细丝在运动过程中从膜上掠过时，弯曲程度与细胞中的弯曲程度相匹配。

“开发一种捕获这些图像子集的方法至关重要，”Alushin说。“这是一个科学进步需要方法论进步的案例。”

当弯曲时，含有磷酸盐的肌动蛋白看起来与不含磷酸盐的肌动蛋白非常不同，因此肌动蛋白结合蛋白将能够轻松区分这两种状态。

“灯丝生化状态的变化会影响灯丝在施加力时变形的方式，”雷诺兹说。

一种新的模型开始出现：虽然细丝中的肌动蛋白可以在聚合物弯曲时以多种方式弯曲，但当磷酸盐限制其样式时，这种柔韧性会受到限制。想象一个并排的包含小甜甜圈的柔性管。有些甜甜圈有空洞，有些甜甜圈的洞里有高尔夫球，但它们在其他方面是相同的。当管子弯曲时，甜甜圈都会压扁并改变形状，但那些有高尔夫球的甜甜圈会变形。

同样，肌动蛋白的两种状态在细丝弯曲之前基本上无法区分，但是一旦施加力，磷酸盐的挤压与没有磷酸盐的挤压不同。“重要的是蛋白质的可变形性，”Alushin说。“如果中间有一个洞，它可以以一种方式弯曲。如果你用磷酸盐填充那个洞，它就不能以同样的方式挤压。”

结果解释了肌动蛋白结合蛋白如何区分肌动蛋白的生化状态，并揭示了一种涉及生化状态和力协同工作的蛋白质调节模型。在未来的研究中，Alushin希望研究其他蛋白质是否也有类似的共同调节。

“我们对肌动蛋白的研究是对这一现象的第一次了解，但目前的一个限制是我们没有其他力响应蛋白的结构在起作用，”他说。“研究这些蛋白质是值得的，因为它在技术上变得可行。”