冷冻电镜揭示Lis1调控细胞质动力蛋白-1（dynein）激活的多步分子机制

细胞质动力蛋白-1（dynein）的活性调控机制是细胞运输和神经发育的关键科学问题。本研究通过冷冻电镜（cryo-EM）结合时间分辨技术，解析了酵母dynein与调控因子Lis1在ATP水解过程中的16种高分辨率结构，揭示了Lis1通过提高dynein的基础ATP酶活性、促进构象转变以解除自抑制状态的多步激活机制。该研究为神经发育疾病（如无脑回畸形）的病理机制提供了结构基础，发表于《Nature Structural & Molecular Biology》。

　　

论文解读

研究背景

细胞质动力蛋白-1（cytoplasmic dynein-1, dynein）是一种保守的分子马达，负责向微管负端运输RNA、囊泡等货物，并参与细胞分裂。其功能异常与神经发育疾病（如无脑回畸形）和神经退行性疾病密切相关。dynein的活性受自抑制构象（Phi粒子）严格调控，而调控因子Lis1（Lissencephaly-1）的突变会导致无脑回畸形。尽管已知Lis1能解除dynein的自抑制，但其具体分子机制尚不明确。此前研究多依赖非水解ATP类似物或突变体，无法捕捉动态构象变化。因此，解析Lis1如何通过调控dynein的ATP水解循环促进其激活，成为领域内亟待解决的关键问题。

研究方法

加州大学圣地亚哥分校的Agnieszka A. Kendrick团队联合多个研究组，利用冷冻电镜（cryo-EM）和时间分辨样本制备技术，对酵母dynein单体与Lis1在ATP存在下的不同时间点（0.5分钟和30分钟）进行结构解析。通过高斯加速分子动力学（GaMD）模拟分析构象动态，并结合ATP酶活性测定实验，验证Lis1对dynein基础ATP水解速率的调控作用。

研究结果

1. Cryo-EM揭示dynein在ATP水解中的构象多样性
通过冷冻电镜解析了dynein在ATP水解过程中的16种高分辨率结构（最高分辨率2.8 ?），包括7种独特的dynein或dynein-Lis1复合体构象。根据连接区（linker）形态分为三类：伸直（straight）、中间态（intermediate）和弯曲（bent）。其中，伸直构象的dynein与微管强结合状态（α-register）相关，而弯曲构象对应弱结合状态（β-register）。

2. Lis1通过结合双位点调控dynein构象
Lis1通过两个β-螺旋桨结构域分别结合dynein的AAA3-AAA4界面（site_ring）和茎部（site_stalk）。中间态dynein可结合两个Lis1，而伸直构象仅能结合一个。分子动力学模拟显示，Lis1结合后通过盐桥（D2868-K1424）稳定连接区，同时削弱AAA3与AAA4的界面接触，促进ADP释放。

3. Lis1提高dynein的基础ATP酶活性
ATP酶实验表明，Lis1以浓度依赖性方式将dynein的ATP水解速率提高2倍，而无法结合dynein的Lis1突变体（Lis1-5A）无此效应。破坏Phi粒子形成的dynein-D2868K突变体同样显示ATP酶活性升高，证实自抑制状态会限制dynein的机械化学循环。

4. 构象动态与激活模型
研究提出dynein激活的两步模型：Lis1首先破坏Phi粒子形成Chi中间体（含两个dynein和两个Lis1二聚体），随后通过提高ATP水解速率促进dynein构象转变为开放状态，最终与动力激活蛋白（dynactin）和适配体组装为活性复合体。

研究意义

该研究首次系统揭示了Lis1通过多步构象调控dynein活性的分子机制，阐明了神经发育疾病相关突变的潜在病理基础。时间分辨冷冻电镜技术的应用为研究其他分子马达的动态调控提供了范式。此外，发现dynein的ATP酶活性与其自抑制状态直接相关，为开发靶向dynein的小分子药物提供了新思路。