Nature新研究回答科学家们几十年来一直试图回答的生命的基本问题

肌动蛋白丝是构成细胞内部骨架的蛋白质纤维。作为细胞的活性成分，肌动蛋白丝支持细胞的融合、运动，并参与许多其他细胞过程。重要的是，它们也是肌肉细胞的主要组成部分。自20世纪40年代发现以来，这些细丝结构的复杂性就一直吸引着科学家，并在它们促进细胞许多过程的能力背后，打开了一个未解之谜的海洋。

　　

   

   

图像:与Mg2+-ADP-BeF3结合的F-actin的Cryo-EM重建。在2.2 ?分辨率。中心肌动蛋白亚基是蓝色的，其他四个亚基是灰色的。水分子对应的密度用红色表示，ADP用黄色表示。    

“我们正在回答科学家们几十年来一直试图回答的生命的基本问题”，Raunser说。在真核细胞中，肌动蛋白含量丰富，易于结合(聚合)成丝。这些细丝组成网络，构成细胞的细胞骨架，并通过运动控制各种细胞过程。例如，免疫细胞利用肌动蛋白丝移动和捕捉细菌和病毒。研究人员已经知道，纤维的动态是由ATP水解调节的——ATP与水的反应使一个磷酸基分裂并产生能量。然而，这一过程背后的确切分子细节一直没有得到解答。

太灵活还是太大?-不适合低温电子显微镜  

由于肌动蛋白丝太过柔韧或太大，不适合x射线结晶和核磁共振，所以低温电磁是唯一可行的获取详细图像的技术。2015年，Raunser的团队使用低温电子显微镜(cryo-EM)绘制了一种新型的纤维三维原子模型，分辨率为0.37纳米。2018年，他的团队描述了肌动蛋白在丝中获得的三种不同状态:与ATP结合，在分裂的磷酸盐存在时与ADP结合，在磷酸盐释放后与ADP结合。

水分子是如何运动的  

在他们目前的研究中，Raunser和他的同事们创造了一项新的分辨率记录：他们以约0.2纳米的分辨率获得了所有三种肌动蛋白状态，使以前看不见的细节可见。三维地图不仅显示了蛋白质的所有氨基酸侧链，还显示了数百个水分子的位置。通过将这些新结构与分离的肌动蛋白结构进行比较，他们能够推断水分子是如何运动的。在聚合过程中，水分子以这样的方式在ATP口袋中重新定位，只有一个水分子留在ATP前面，准备攻击一个磷酸盐并启动水解。通过这种方法获得的准确性可以帮助该领域的进一步研究:“我们的高分辨率模型可以推动科学家设计小分子，用于组织的光学显微镜研究，并最终用于治疗应用，”Raunser说。

开门器! ?  

作者还阐明了磷酸盐的最终命运。在此之前，科学家们认为ATP口袋中有一个后门，在ATP水解后，它仍然是打开的，以促进磷酸盐的退出。然而，新的低温-电磁结构显示没有打开后门的痕迹。因此，释放机制仍然是一个谜。“我们相信有一扇门，但它可能会暂时打开”，Raunser评论道，他现在想要使用数学模拟和时间分辨低温电子显微镜方法来演示磷酸盐是如何退出的。显然，这些令人兴奋的发现为科学家们打开了一扇门，他们希望能更深入地挖掘肌动蛋白丝促进细胞运动过程背后的更多细节。

文章标题

Structural basis of actin filament assembly and aging