Cell亮点文章：马达蛋白团结就是力量

　　

生物通报道：生命在于运动。我们伸手拍蚊子，而后者灵活地躲避了死神之手。这其中发生了什么？是谁控制我们的手部运动，又是谁解救了蚊子？答案是分子马达，手部肌肉和蚊子翅膀中的纳米级蛋白机器。我们需要这些马达来拍蚊子、眨眼睛、行走、吃饭、喝水……，做一切你想象得出的事。就在我们伸手拍蚊子的时候，肌肉中数百万分子马达正进行着精密合作。

许多细胞过程都需要多个马达蛋白共同产生较大的力量，因此了解马达蛋白如何产生合力很重要。此前人们对其中的机制知之甚少，日前印度TIFR塔塔基础研究院Dr. Roop Mallik领导的研究团队在细胞内实现了单分子水平的光学捕获，定量了马达蛋白小队驱动单个吞噬体时生成的力量。这项研究发表在最近一期的Cell杂志上。

有趣的是，强有力的驱动蛋白无法协同作用，而较弱且易于解体的动力蛋白却能够合作产生很大的力量。研究显示，当面对更高负载时，动力蛋白运载小队与微管结合，而驱动蛋白快速解散。

为何自然界做出如此不合常理的选择，让弱马达蛋白在许多生物学过程中承担如此重任呢？研究人员发现，由于每个动力蛋白都能够改变其齿轮，一队动力蛋白就可以分担很大的负载。正因如此，与其他没有传动装置的强力马达蛋白相比，动力蛋白团队合作更为有效。

研究人员将激光束聚焦在小鼠细胞内部，以此困住细胞中被马达蛋白驱动的单个吞噬体，此时这些马达蛋白就会使出浑身解数将物质拖出“激光陷阱”。研究人员观察了四个动力蛋白合力将吞噬体拖出激光陷阱的过程。

Mallik说：“每个动力蛋白都有转换齿轮的特殊能力，就向我们开车上坡要换档一样。在动力蛋白运载小队中，每个蛋白都会依据所需拉力做出调整，在拉动时紧密合作。这种形式下动力蛋白能够平均分摊它们的负载，从而有效产生更大的力量。值得注意的是，驱动蛋白比动力蛋白更强力，但由驱动蛋白组成的小队就无法产生那么大的力，原因就在于驱动蛋白没有传动装置。”

看来在人类造出法拉利和兰博基尼以前，自然界早早就学会了打造带传动装置的纳米级马达了。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Molecular Adaptations Allow Dynein to Generate Large Collective Forces inside Cells

Many cellular processes require large forces that are generated collectively by multiple cytoskeletal motor proteins. Understanding how motors generate force as a team is therefore fundamentally important but is poorly understood. Here, we demonstrate optical trapping at single-molecule resolution inside cells to quantify force generation by motor teams driving single phagosomes. In remarkable paradox, strong kinesins fail to work collectively, whereas weak and detachment-prone dyneins team up to generate large forces that tune linearly in strength and persistence with dynein number. Based on experimental evidence, we propose that leading dyneins in a load-carrying team take short steps, whereas trailing dyneins take larger steps. Dyneins in such a team bunch close together and therefore share load better to overcome low/intermediate loads. Up against higher load, dyneins catch bond tenaciously to the microtubule, but kinesins detach rapidly. Dynein therefore appears uniquely adapted to work in large teams, which may explain how this motor executes bewilderingly diverse cellular processes.