《Nature》时间分辨冷冻电镜直接揭示肌球蛋白摆动杠杆机制：开启肌肉运动研究新篇

为解决肌球蛋白产生运动的机制及肌动蛋白激活其 ATP 酶活性机制不明的问题，研究人员开展了对肌球蛋白 - 5 突变体的时间分辨冷冻电镜（cryo-EM）研究。结果直接展示了摆动杠杆机制，明确结构转变，为相关研究提供重要依据。

　　

在细胞的微观世界里，肌球蛋白（Myosins）如同一个个微小却充满力量的 “搬运工”，与丝状肌动蛋白（F-actin）相互作用，产生力和运动，参与从肌肉收缩到细胞器运输等众多重要生命活动。一旦它们 “工作” 出错，就可能引发包括心脏病、耳聋和癌症等一系列严重疾病。然而，长期以来，科学家们对肌球蛋白产生运动的具体机制，以及肌动蛋白如何激活肌球蛋白 ATP 酶（ATPase）活性这两大关键问题，始终没有清晰的答案。就像在黑暗中摸索，虽知方向却难以找到确切的路径。为了揭开这些谜团，来自英国利兹大学（University of Leeds）、美国奥多明尼昂大学（Old Dominion University）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上，为我们照亮了这一神秘领域的前进道路。

研究人员运用了时间分辨冷冻电镜（cryo-EM）这一先进技术，对肌球蛋白 - 5 突变体进行深入研究。该技术能够在毫秒级的时间尺度上捕捉分子结构的变化，就像是给分子运动拍 “高速电影”，让研究人员得以观察到以往难以捕捉的瞬间。

研究结果主要包含以下几个方面：

• 捕获启动态肌动球蛋白：研究人员通过预孵育肌球蛋白 - 5 构建体与 ATP，再迅速与 F-actin 混合、冷冻，成功捕获到启动态肌动球蛋白。在 10 毫秒时，大部分肌动球蛋白复合物处于启动态；120 毫秒时，更多转变为动力冲程后（postPS）态，且未检测到中间状态，这直接证明了摆动杠杆机制。

• 启动态肌动球蛋白的结构：在启动态下，肌球蛋白通过其 L50 结构域与肌动蛋白相互作用，肌动蛋白结合裂隙开放。肌球蛋白的 Loop 2 部分区域柔性较大，但羧基末端部分与肌动蛋白有特定相互作用。此外，肌动蛋白 N 末端残基与肌球蛋白的相互作用可能影响启动态肌球蛋白结构并激活其 ATP 酶活性。

• 肌动蛋白结合后的结构变化：对比未结合和结合肌动蛋白的肌球蛋白结构发现，肌动蛋白结合会诱导肌球蛋白发生微妙结构变化，这些变化通过分子传递，可能促进 Pi 的解离，但由于 “后门” 关闭，Pi 暂时无法释放。

• 动力冲程中的结构变化：比较启动态和 postPS 态肌动球蛋白，发现最大的变化是转换器和轻链结合域的大规模运动，导致杠杆摆动约 93°，主要沿肌动蛋白轴方向。同时，U50 结构域与肌动蛋白的相互作用发生明显改变，结合界面面积增大，形成更强的结合界面。

• 力产生的结构基础：研究揭示了肌球蛋白产生运动和肌动蛋白催化其 ATP 酶活性的机制。肌球蛋白最初通过 Loop 2 与肌动蛋白的弱相互作用结合，随后发生一系列结构变化，包括 U50 旋转、裂隙关闭和 Pi 释放，最终产生动力冲程。

• 对双头肌球蛋白 - 5 的影响：通过叠加启动态和 postPS 态结构，发现肌球蛋白 - 5 的轴向工作冲程约为 34nm，与肌动蛋白上的结合位点距离相符。模拟双头肌球蛋白 - 5 的行走过程表明，其两个头部的杠杆末端接近，便于连接到卷曲螺旋尾部。

研究结论表明，通过时间分辨冷冻电镜，研究人员成功捕获并解析了启动态肌动蛋白复合物的结构，分辨率达到 4.4 ?。这一结构在不同肌球蛋白类别中可能具有保守性，为理解致病肌球蛋白突变的影响提供了有价值的模型。此外，研究直接展示了摆动杠杆机制，提出了肌动蛋白催化结构转变和 ATP 水解产物释放的机制。这一研究成果意义重大，不仅加深了我们对肌球蛋白工作机制的理解，还为相关疾病的治疗和药物研发提供了重要的理论基础，有望在未来为攻克相关疾病带来新的希望。