肌動(dòng)蛋白絲（actin filament，也稱為肌動(dòng)蛋纖維）-=-對(duì)從單個(gè)細(xì)胞到動(dòng)物的生命運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要的蛋白結(jié)構(gòu)---長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為具有與它們的物理特征相關(guān)的極性，具有一個(gè)生長(zhǎng)的“帶刺”端和一個(gè)收縮的“尖”端。肌動(dòng)蛋白絲的兩端與細(xì)胞內(nèi)其他蛋白的相互作用方式也不同。然而，決定這些差異的機(jī)制對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)一直都不完全清楚。如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院的研究人員通過(guò)使用一種叫做低溫電鏡（cryo-EM）的技術(shù)揭示了肌動(dòng)蛋白絲兩個(gè)末端的關(guān)鍵原子結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)提供了基本的見(jiàn)解，可能有助于填補(bǔ)影響一些由肌動(dòng)蛋白缺陷或缺乏導(dǎo)致的肌肉、骨骼、心臟、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的疾病背后的細(xì)節(jié)。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structures of the free and capped ends of the actin filament”。

肌動(dòng)蛋白是高等生物（如動(dòng)物）細(xì)胞內(nèi)最豐富的蛋白。它作為長(zhǎng)而薄的結(jié)構(gòu)---肌動(dòng)蛋纖維---的基石，而肌動(dòng)蛋白絲作為細(xì)胞的“細(xì)胞骨架”的一部分提供關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)支持，并使得細(xì)胞具有形狀和極性。肌動(dòng)蛋白絲的快速變化是關(guān)鍵細(xì)胞事件的基礎(chǔ)，如沿表面運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞間接觸和細(xì)胞分裂。肌動(dòng)蛋白絲也是肌纖維中的主要成分。

論文通訊作者、賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院的William Maul Measey博士說(shuō)，“我們的研究結(jié)果提供了對(duì)一種我們已經(jīng)了解了40多年的過(guò)程---肌動(dòng)蛋白踏車（filament treadmilling）---的機(jī)理理解，并影響我們?nèi)绾慰创?dòng)蛋白在健康和疾病中的細(xì)胞作用。”

肌動(dòng)蛋白絲的動(dòng)態(tài)變化主要由這種肌動(dòng)蛋白踏車過(guò)程控制，通過(guò)這一過(guò)程，單個(gè)肌動(dòng)蛋白從肌動(dòng)蛋白絲的尖端脫落，從肌動(dòng)蛋白絲的帶刺端加入。肌動(dòng)蛋白絲可以通過(guò)獨(dú)特的所謂的“加帽”蛋白來(lái)穩(wěn)定，這些蛋白與肌動(dòng)蛋白絲的兩個(gè)末端結(jié)合，阻止單個(gè)肌動(dòng)蛋白的進(jìn)一步增加或丟失。許多其他蛋白也與肌動(dòng)蛋白絲的尖端和帶刺端結(jié)合。但是決定這些相互作用的特異性的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)---解釋這兩個(gè)末端的功能為何如此不同的細(xì)節(jié)---一直是模糊的。

在他們的研究中，這些作者用低溫電鏡分析了肌動(dòng)蛋白絲。通過(guò)這種高分辨率的成像技術(shù)，他們獲得了目標(biāo)分子的數(shù)千張快照，通過(guò)計(jì)算將它們對(duì)齊，然后對(duì)它們進(jìn)行平均，以減少隨機(jī)的圖像“噪音”--產(chǎn)生目標(biāo)分子的三維重建圖，其清晰度可能足以讓人看到單個(gè)原子。

未加帽的帶刺端的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。圖片來(lái)自Science, 2023, doi:10.1126/science.adg6812。

在人工智能（AI）的幫助下，這些作者能夠?qū)⒆⒁饬性诩?dòng)蛋白絲的兩端，而不是它們的中間。通過(guò)這樣做，他們確定了數(shù)十萬(wàn)個(gè)肌動(dòng)蛋白絲末端的視圖，使他們能夠獲得接近原子尺度的重建。這些數(shù)據(jù)顯示，在未加帽的帶刺端，肌動(dòng)蛋白呈現(xiàn)“扁平”的構(gòu)象，而在未加帽的尖端，肌動(dòng)蛋白呈現(xiàn)“扭曲”的構(gòu)象。

這些數(shù)據(jù)還詳細(xì)說(shuō)明了兩種肌動(dòng)蛋白絲加帽蛋白---在位于帶刺端的CapZ和位于尖端的tropomodulin---所引起的結(jié)構(gòu)變化。這是在骨骼肌和心肌中的肌動(dòng)蛋白絲末端發(fā)現(xiàn)的兩種蛋白，在穩(wěn)定肌纖維中的肌動(dòng)蛋白絲方面起著至關(guān)重要的作用，而且如果沒(méi)有這兩種蛋白，我們的肌肉會(huì)崩潰。

這項(xiàng)研究的結(jié)果為更深入了解整個(gè)肌動(dòng)蛋白生物學(xué)提供了關(guān)鍵的機(jī)制細(xì)節(jié)。這些作者認(rèn)為這些新見(jiàn)解也應(yīng)該有助于理解和最終治療由肌動(dòng)蛋白功能障礙引起的疾病。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Peter J. Carman et al. Structures of the free and capped ends of the actin filament. Science, 2023, doi:10.1126/science.adg6812.

2. An electron microscopy study unravels the mysteries of actin filament polarity
https:///news/2023-06-electron-microscopy-unravels-mysteries-actin.html