Ndc80复合体作为动粒-微管运动耦合器的滑动分子离合器机制解析

研究人员针对动粒如何在不脱离微管末端的情况下实现双向滑动这一关键问题，通过超快速力钳光谱技术（UFFC）揭示了Ndc80复合体（Ndc80c）作为分子离合器的独特机制。研究发现Ndc80c在微管正端定向力下形成移动捕获键（mobile catch bond）增加摩擦阻力，而在负端定向力下触发移动滑移键（mobile slip bond）促进滑动，其不对称摩擦行为由Nuf2钙调蛋白同源结构域（CHD）调控。该成果发表于《Science Advances》，为理解染色体分离的分子基础提供了全新视角。

　　

在细胞分裂过程中，染色体通过动粒（kinetochore）与纺锤体微管（microtubule）的动态连接实现精确分离。这一过程的核心谜题在于：动粒如何能在微管壁滑动时始终锚定在快速解聚的微管末端附近？传统理论认为Ndc80复合体（Ndc80c）通过偏向扩散（biased diffusion）机制驱动运动，但该模型无法解释动粒表现出的"滑动-离合器"行为——即在正端拉力下增强摩擦防止脱离，而在负端拉力下降低摩擦促进滑动。

为破解这一难题，研究团队利用超快速力钳光谱（UFFC）技术，首次在单分子水平揭示了Ndc80c的极性依赖滑动机制。通过构建微管"哑铃"系统并结合布朗动力学建模，研究人员发现：当微管正端定向力（plus end–directed force）作用于Ndc80c时，会诱导Nuf2亚基的钙调蛋白同源结构域（CHD）与微管接触，形成移动捕获键（mobile catch bond），使摩擦系数增加10倍；相反，负端定向力则触发移动滑移键（mobile slip bond）行为。这种双向调控源于Ndc80c构象变化——正端拉力使Nuf2 CHD与微管结合形成双位点相互作用，而负端拉力则使其脱离。

关键技术包括：1）UFFC三珠实验系统实现微秒级力加载；2）微管极性鉴定采用驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）标记；3）构建Ndc80c突变体（如Hec1 K166D和Nuf2 3D突变）验证功能域；4）分子对接模拟CHD与微管相互作用；5）布朗动力学模型量化摩擦不对称性。

研究结果部分：

极性依赖滑动是Ndc80c微管结合域固有特性

通过比较野生型与截短型Ndc80c，发现不对称滑动与分子长度无关。当微管正端对应慢速滑动方向时，驱动蛋白（+端定向）运动与之同向，而动力蛋白（-端定向）运动则对应快速滑动方向。

双向移动键行为驱动离合器机制

力-速度曲线分析显示，负端方向符合滑移键特征（势阱深度7-8 k_BT），而正端方向呈现捕获键特性（势阱深度10-11 k_BT）。这种差异无法用单点结合模型解释。

Nuf2 CHD是摩擦调控关键

Nuf2 CHD三重电荷逆转突变体（3D Nuf2）虽保留微管结合能力，但正端滑动速度显著加快，最大摩擦系数降低5倍，证实该结构域直接参与摩擦调控而非仅作为支架。

这项研究颠覆了传统偏向扩散模型，提出Ndc80c通过构象依赖的双位点相互作用实现纳米级摩擦调节。其意义在于：1）阐明动粒"末端耦合"的物理基础；2）揭示Nuf2 CHD作为力学感应器的新功能；3）为开发靶向染色体分离异常的疗法提供新思路。该机制可能普遍存在于需要力学调控的细胞过程中，为生物力学研究开辟了新方向。