稳态下依赖ATP的肌动蛋白末端波动

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：ATP-dependent actin barbed-end fluctuations at steady state

肌动蛋白丝网络动态平衡机制研究。通过直接成像单丝发现存在温和动态不稳定性，barbed端在ATP水解驱动下产生±2-6子单元低幅度波动及±50-150子单元罕见大幅波动，揭示肌动蛋白丝长度扩散性源于两种波动叠加。实验证实Treadmilling模型需引入动能学机制解释观测数据，并修正既往长度波动估值。

　　

重要性

真核细胞依赖肌动蛋白纤维网络来移动、分裂和维持形状。这些网络中的纤维在其末端不断添加和丢失肌动蛋白亚基。目前普遍认为肌动蛋白纤维的生长和收缩是平衡进行的（即“踏车运动”），通过一端的生长来抵消另一端的收缩以保持纤维长度。然而，理论和观察表明纤维长度会随时间波动，但这些波动的起源一直难以确定。通过直接成像单个肌动蛋白纤维，我们发现了一种轻微的动态不稳定性：纤维的一端会以核苷酸依赖的方式在生长和收缩状态之间转换。这一发现为理解肌动蛋白纤维的内在行为提供了新的视角，并揭示了调控因子可能如何控制亚基的交换，这对细胞运动和形状调节具有重要意义。

摘要

细胞中的肌动蛋白网络是动态的，随着肌动蛋白亚基在单体池和聚合物池之间的不断交换而不断更新。要了解体内的这种动态过程，需要先详细了解体外纯肌动蛋白的行为。目前的主流模型是“踏车运动”，该模型认为纤维带刺端的持续生长与带尖端的持续收缩相互平衡，从而使纤维长度大致保持不变。尽管在单个肌动蛋白纤维层面已经直接观察到了“踏车运动”，但纤维长度的波动（表现为“长度扩散性”）实际上比预期要大得多，而且这种高扩散性的起源在实验中尚未被确定。通过将单个肌动蛋白纤维通过α-肌动蛋白固定在玻璃上并对其进行成像，我们观察到频繁发生的低幅度波动（每次事件约2–6个亚基），以及较少见的高幅度波动（每次事件约50–150个亚基）。这些波动与三磷酸腺苷（ATP）的水解以及无机磷酸盐（Pi）的释放有关，并且可以被phaalloidin和带刺端封端剂所抑制。在稳态下，带刺端的波动消耗了大约三分之一的ATP，而三分之二的ATP仍然用于“踏车运动”。这些波动导致纤维长度的扩散性变化，这种变化超过了纯“踏车运动”模型的预测值，但低于之前的研究结果，这表明之前的测量可能捕捉到了其他变异来源。我们的结果为动力学模型提供了直接的实验证据，这些模型提出了纯肌动蛋白中存在一种减弱的动态不稳定性：当ATP/ADP•Pi封端暂时丢失时，会导致罕见的大幅度波动，而更常见的则是小幅度波动。