Sci Adv & Nat Commun | 陈宝玉带领团队揭示肌动蛋白骨架调节新机制

我们之所以能动能跑是因为我们有骨骼和肌肉。与此相似,我们体内的细胞也拥有错综复杂的骨骼和肌肉。它们被称为细胞骨架。其中一种细胞骨架由肌动蛋白微丝(F-actin)组成,它对于细胞形状,细胞迁移,胞内运输,胚胎发育,免疫反应和神经回路的形成等有着至关重要的作用。微丝骨架也被很多病原体作为攻击对象,以帮助感染宿主细胞。微丝骨架被扰乱(比如相关基因的突变)通常会破坏各种细胞活动,从而引起多种疾病,包括神经系统障碍、心血管疾病、免疫缺陷和癌细胞的转移等。因此,深入了解肌动蛋白微丝骨架的调节机制对于理解各种细胞活动,以及诊断和治疗相关的疾病有着基础和深远的意义。

细胞的微丝骨架是一个动态的结构,它每时每刻都在不停地组装和分解,以帮助细胞应对千变万化的信号传递。新的微丝骨架组装经常需要一个命名为Arp2/3的七亚基蛋白复合体。Arp2/3可以结合到一根微丝的侧面,然后催化形成一根新的微丝分枝。但是Arp2/3本身几乎没有活性,它的激活则需要Wiskott-Aldrich 综合症蛋白(WASP)家族的成员C端的WCA多肽序列。各种WASP家族的蛋白可以使用不同的机制来控制其C端的WCA多肽序列的隔绝和释放,从而控制Arp2/3的活性,让细胞可以精确地控制在何时何处组装新的微丝骨架。WASP家族成员的功能几乎涵盖细胞内所有有微丝骨架参与的活动【1】

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美国爱荷华州立大学(Iowa State University)的陈宝玉团队长期致力于研究WASP家族蛋白如何被激活和控制微丝骨架组装的基本分子机制。在今年九月份和最近十二月份,陈宝玉团队联合德国亥姆霍兹感染研究中心(Helmholtz Centre for Infection Research, HZI)Klemens Rottner团队和美国石溪大学(Stony Brook University)Saikat Chowdhury团队(现在印度CSIR细胞和分子生物学中心)连续在Nature CommunicationsScience Advances上发表论文,分别题为:Structure reveal a key mechanism of WAVE regulatory complex activaton by Rac1 GTPase; Arf GTPase activates the WAVE regulatory complex through a distinct binding site,揭示了WASP家族成员WAVE蛋白C端的WCA多肽序列如何被两种不同的GTP酶(GTPase)激活,从而来控制组装微丝骨架的新机制。

WAVE从不单独行动。它和其他四个高度保守的蛋白(包括Sra1, Nap1, Abi2, 和HSPC300)组成一个约400 kDa的大型蛋白复合物,名为 WAVE Regulatory Complex(WRC)【2-4】。上百种细胞膜上的蛋白都可以和WRC直接相互作用,从而控制WAVE介导的微丝骨架组装在细胞内的活性和分布。WRC介导的微丝骨架组装,对于细胞形成经典的板状伪足(lamellipodia)结构起到至关重要的的作用,而板状伪足是细胞延展,迁移,粘联,和吞噬过程中一种重要的细胞结构(图1)。在过去二十年来,GTP酶Rac1一直被认为是唯一激活WRC的必要条件,而其他的分子只起辅助作用,或者帮助控制WRC被激活的时间和位点。但是由于Rac1对WRC的亲和力非常低,关于Rac1如何结合WRC,以及结合之后如何激活WRC一直都是一个难以解决的重要问题【4】。除此之外,另外一种GTP酶Arf1经常被发现在各种细胞活动中(比如乳腺癌细胞迁移和病原体吞噬)和Rac1一起激活WRC。而Arf1在细胞内更常见的功能是细胞内运输和细胞器的形成,所以Arf1是否和WRC直接作用,以及如何和Rac1一起激活WRC一直是一个悬而未决的问题【4】

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图1经典的细胞板状伪足(Klemens Rottner供图)

在今年九月份发表在Nature Communications上的文章中,陈宝玉和Saikat Chowdhury的合作团队解决了Rac1如何结合并激活WRC的核心问题【5】。他们通过各种基因连接的方法,将两个Rac1 GTP酶分子分别稳定在他们之前发现的两个不同的结合位点(称为A 【Adjacent】点和D【Distant】点【6】,进而获得了与之相对应的三种状态下高分辨率的WRC冷冻电镜结构(图2)。通过比较这三个结构,并结合分子突变,生物化学,和细胞生物学分析(Klemens Rottner团队),他们发现Rac1结合到高亲和力位点D点并不能直接激活WRC,但可以促进第二个Rac1结合到低亲和力的A点。而Rac1结合到A点则可以通过一系列的分子构象变化直接激活WRC。Rac1结合到A点导致A点表面发生~8°的展平旋转,从而进一步引起位于A点背后的WCA结合位点发生构象变化,进而导致WCA多肽序列被释放,进一步激活微丝骨架组装。很多与神经性疾病相关的氨基酸突变都位于这个变构途径附近【1,5】

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图2WRC在三种Rac1结合状态下的冷冻电镜结构【5】

于此同时,在今年十二月中旬刚发表在Science Advances上的文章中,陈宝玉和Klemens Rottner的合作团队解决了Arf1和WRC的分子作用问题【7】。利用重组纯化的蛋白和优化的生化条件,他们观察到Arf1(以及其他Arf家族成员)和WRC在体外的直接相互作用(图3)。通过大量的定量生物化学方法,分子突变,结构生物学分析,分子动力学模拟(王俊梅教授,美国匹兹堡大学)和细胞生物学方法,他们发现Arf1直接结合到WRC上一个新的位点(称为M【middle】点)。Arf1和M点的亲和力非常低,但Rac1结合到D点会显著增加Arf1与M点的结合。一旦Arf1结合到M点,Arf1可以直接通过一个新的途径激活WRC,而无需Rac1通过结合到A点来进行激活。所以,这项研究揭示WRC可以被两种不同的机制激活,而两种机制都需要Rac1首先结合到高亲和力的D点来提高GTP酶结合到另外两个位点的亲和力。当Rac1在细胞膜上密度比较高时,Rac1可以结合到A点激活WRC。而当Arf1在细胞膜上密度比较高时,Arf1可以通过M点激活WRC(图4)。所以,这项研究揭示Arf GTP酶是第二类可以激活WRC的分子。

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图3Arf1 GTP酶直接结合在WRC的M位点【7】

以上研究解决了WASP家族成员WAVE被两种不同GTP酶(Rac1和Arf1)激活的核心机制,帮助了我们更好地理解细胞在各种相关的活动(比如板状伪足的形成和细胞迁移)中如何控制肌动蛋白微丝的组装,以及各种基因突变如何导致WAVE活力的变化。这些知识会对理解各种细胞过程和相关疾病,以及有针对性的研发相关的疗法和药物靶点提供新的思考方向。

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图4WRC可以被两种不同的GTP酶分别用不同的机制激活【7】

在发表在Science Advances的论文中,爱荷华州立大学的杨胜博士(现于美国强生公司【Johnson & Johnson】药物研发部任职高级科学家及项目负责人)为第一作者。爱荷华州立大学的陈宝玉博士和德国亥姆霍兹感染研究中心的Klemens Rottner博士为共同通讯作者。Klemens Rottner实验室的Yubo Tang和陈宝玉实验室的刘怡君为共同第二作者。石溪大学的Saikat Chowdhury博士和丁博建博士,匹兹堡大学的王俊梅博士,陈宝玉实验室的Abbigale Brown和Daniel Kramer博士,Klemens Rottner实验室的Magdalena Mietkowska,以及梅奥诊所(Mayo Clinic)的Daniel Billadeau博士,Li Ding博士和Olga Alekhina博士也对本论文做出了重要贡献。

在发表在Nature Communications的论文中,石溪大学的丁博建博士和爱荷华州立大学的杨胜博士为共同第一作者。爱荷华州立大学的陈宝玉博士和石溪大学的Saikat Chowdhury博士(现在印度CSIR细胞和分子生物学中心)为共同通讯作者。陈宝玉实验室的刘怡君和Abbigale Brown,以及德国亥姆霍兹感染研究中心的Klemens Rottner博士和Matthias Schaks博士也对本研究做出了重要贡献。

以上研究受到了多项美国国立卫生研究院(NIH)和自然科学基金(NSF)以及德国科学基金会(DFG)的资助。

陈宝玉教授,博士毕业于美国宾州州立大学。其后在美国西南医学中心生物物理系Michael Rosen实验室做博士后研究。2015年加入爱荷华州立大学任生化系教授。主要以生物化学和结构生物学为手段,研究肌动蛋白微丝骨架和细胞膜蛋白的动态调节以及相关致病机理。实验室的研究受到多项美国国立卫生研究院(NIH),自然科学基金(NSF)和心脏病协会(AHA)的资助。应实验室成长和扩展的需要,团队热烈欢迎有生物化学,分子生物学和结构生物学,尤其是冷冻电镜或单分子荧光显微镜背景和兴趣的博士后和博士生加入,同时也欢迎有兴趣合作的团队联系,一起探寻细胞骨架和膜转运调节的奥秘。关于团队的更多介绍详见实验室网站:

http://www.stonechenlab.org/

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-33174-3
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1412

参考文献

1. D. A. Kramer, H. K. Piper, B. Chen. WASP family proteins: Molecular mechanisms and implications in human disease.Eur. J. Cell Biol.101,151244 (2022).

2. S. Eden, R. Rohatgi, A. V. Podtelejnikov, M. Mann, M. W. Kirschner. Mechanism of regulation of WAVE1-induced actin nucleation by Rac1 and Nck.Nature418,790–793 (2002).

3. Z. Chen, D. Borek, S. B. Padrick, T. S. Gomez, Z. Metlagel, A. M. Ismail, J. Umetani, D. D. Billadeau, Z. Otwinowski, M. K. Rosen. Structure and control of the actin regulatory WAVE complex.Nature468,533–538 (2010).

4. K. Rottner, T. E. B. Stradal, B. Chen. WAVE regulatory complex.Curr. Biol.31, R512–R517 (2021).

5. B. Ding, S. Yang, M. Schaks, Y. Liu, A. J. Brown, K. Rottner, S. Chowdhury, B. Chen. Structures reveal a key mechanism of WAVE regulatory complex activation by Rac1 GTPase.Nat. Commun.13,5444 (2022).

6. B. Chen, H.-T. T. Chou, C. A. Brautigam, W. Xing, S. Yang, L. Henry, L. K. Doolittle, T. Walz, M. K. Rosen. Rac1 GTPase activates the WAVE regulatory complex through two distinct binding sites.eLife6, e29795 (2017).

7. S. Yang, Y. Tang, Y. Liu, A. J. Brown, M. Schaks, B. Ding, D. A. Kramer, M. Mietkowska, L. Ding, O. Alekhina, D. D. Billadeau, S. Chowdhury, J. Wang, K. Rottner, B. Chen. Arf GTPase activates the WAVE Regulatory Complex through a distinct binding site.Sci. Adv.50 (8) add1412. (2022)

版权声明:Robin 发表于 2022年12月28日 pm10:10。
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