金泽大学的研究人员在eLife上发表了一篇文章，揭示了肌动蛋白结构依赖性的肌动蛋白丝切蛋白优先协同结合。
肌动蛋白丝是由两个长螺距螺旋相互缠绕形成的双链螺旋结构，交叉点之间的距离称为半螺旋螺距(HHP)，约为36纳米。典型的半螺旋由13个肌动蛋白原体或6.5个原体对组成，导致同一长螺距链上两个相邻原体之间的平均轴向距离(MAD)为5.5纳米。
肌动蛋白丝切蛋白是肌动蛋白解聚因子/肌动蛋白丝切蛋白(ADF/肌动蛋白丝切蛋白)家族的一部分，存在于所有真核生物中。在哺乳动物中，肌动蛋白丝切蛋白有两种主要亚型：肌动蛋白丝切蛋白1，主要存在于非肌肉组织中;肌动蛋白丝切蛋白2，主要存在于肌肉组织中。
肌动蛋白丝切蛋白是肌动蛋白丝动力学的重要调节因子，尤其是在非平衡条件下的组装和拆卸过程中。它以浓度依赖性方式促进肌动蛋白丝的解聚和切断，并在此过程中与其他肌动蛋白结合蛋白协同或竞争性相互作用。
本研究解决了几个关键问题，以阐明肌动蛋白丝上肌动蛋白丝1簇的优先协同结合和扩增：(i)在典型的肌动蛋白丝和肌动蛋白丝未修饰的扭曲肌动蛋白(C-肌动蛋白样)区域之间，每个HHP的肌动蛋白原体数量是否不同?(ii)这些区域中的MAD是否会随时间而变化，这些变化如何影响在尖端(PE)和倒钩端(BE)侧与肌动蛋白丝簇相邻的含有ADP或ADP.Pi的未结合肌动蛋白区域内的肌动蛋白丝结合?
Ngo和来自WPINanoLSI-金泽大学(日本)、华威大学(英国)、河内理工大学(越南)和早稻田大学(日本)的同事利用高速原子力显微镜(HS-AFM)的高时空分辨率观察了由肌动蛋白丝结合引起的肌动蛋白丝的动态结构变化。
他们还通过实验证明了裸肌动蛋白丝的扭曲构象固有的可。他们的研究结果表明，肌动蛋白丝的螺旋扭曲和动力学在体外和体内都是可变和不规则的，挑战了低温电子显微镜和X射线衍射认为这些参数是静态的传统观点。
该研究将高速原子力显微镜(HS-AFM)与主成分分析(PCA)相结合，阐明了肌动蛋白丝蛋白与肌动蛋白丝PE侧的结构依赖性优先协同结合，为肌动蛋白丝灵活而特异的螺旋扭曲调控肌动蛋白结合蛋白功能的“原理证明”提供了实验证据。
Ngo及其同事强调了考虑丝状肌动蛋白随时间在各种核苷酸状态下(包括有和没有肌动蛋白丝切蛋白)的结构动力学和异质性的重要性。
这项重要研究增强了我们对肌动蛋白丝动态和多态性的理解，肌动蛋白丝对多种细胞活动至关重要。细胞骨架研究(如细胞力学和运动)和新兴的“动态结构生物学”领域的研究人员将从这些发现中受益匪浅。
前景和未来挑战
实时研究“蛋白质动力学”的核心挑战在于弥合时间尺度上的差距：HS-AFM在毫秒到秒的范围内捕捉蛋白质二维表面结构的动态，而分子动力学(MD)模拟通常探索原子结构并在飞秒到微秒的范围内作。
蛋白质动力学涵盖一系列时间尺度，从模拟中的原子振动到分子翻滚和集体运动。HS-AFM是一种强大的技术，可用于深入研究蛋白质动力学，包括蛋白质折叠和由药物或蛋白质相互作用引发的构象变化等过程。此外，MD模拟的一个重大限制是空间建模约束，这限制了对大型复杂生物系统的研究。
然而，利用高速原子力显微镜可以构建复杂的蛋白质模型，从而实现对其功能活动过程中的结构和动态的高速成像。因此，解决实验数据和模拟数据之间的时间和空间分辨率差异需要一个综合策略，允许在超快/实时和原子水平上同时观察蛋白质的结构、动态和功能，超越单一的方法。
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