近日，南方科技大學生命科學學院神經生物學系魏志毅副教授課題組在學術期刊?Nature Communications 上發表了題為“Autoinhibition and Relief Mechanisms for MICAL Monooxygenases in F-actin Disassembly”的研究論文，首次解析了微絲細胞骨架解聚因子 MICAL1 全長分子的冷凍電鏡三維結構，揭示了其自抑制形成和解除的分子機制。

人體細胞如同一座精心設計的建筑，其內部的“骨架”——細胞骨架，為細胞提供了必要的結構支撐和功能基礎。細胞骨架不僅幫助細胞維持其形狀和整體結構，還參與細胞的移動和分裂過程。作為細胞骨架的關鍵組成部分，肌動蛋白通過在單體和微絲纖維之間快速聚合與解聚，為細胞的動態變化提供了基礎。動態變化的微絲細胞骨架對于細胞的生命活動至關重要，但肌動蛋白并不是單獨工作的，細胞通過一些輔助蛋白來調控它的動態性。近年來，科學家們發現了一類名為 MICAL 家族蛋白的輔助因子，它們能夠對肌動蛋白進行特定的化學修飾，促進細胞骨架解聚。這一過程可以類比于建筑框架上的標記，這些標記使得拆除工作更為高效。MICAL 家族蛋白在輔因子 FAD 和 NADPH 的協助下，利用其氧化酶活性，對肌動蛋白進行化學性共價修飾。與傳統的微絲骨架調控因子不同，MICAL 家族蛋白通過這種化學修飾，實現了對細胞骨架局部的高效和精確調控。它們是當前研究化學修飾如何影響細胞骨架動態變化的重要分子。盡管 MICAL 家族蛋白在細胞骨架的調控中扮演著至關重要的角色，我們對其活性控制機制的理解仍處于初步階段。MICAL 蛋白的構象變化復雜，使得在全長分子層面上對其活性控制的理解面臨挑戰。科學家們正在努力研究MICAL家族蛋白的活性是如何被控制的，這將幫助人們更好地理解細胞這一復雜“建筑”內部結構發生動態變化的過程。

近日，MICAL 家族蛋白活性調控的機制取得了進展。經過長期摸索，魏志毅研究團隊成功在體外表達并純化了高質量的 MICAL1 全長蛋白樣品。研究團隊發現，這一蛋白樣品主要以單體形式存在，且其氧化酶活性相對較低，表明 MICAL1 蛋白處于自抑制狀態。借助冷凍電鏡技術，他們成功解析了 MICAL1 蛋白的高分辨率三維結構，揭示了其多個結構域組裝形成的自抑制構象（圖1）。

研究人員通過結構分析發現，MICAL1 氨基端的氧化酶 MO 結構域和羧基端的 CH-LIM-RBD 結構域通過頭尾相互作用形成自抑制構象。其中，尾部的三個結構域 CH-LIM-RBD 組裝成為一個緊密的三元結構，幫助最尾端的 RBD 直接與頭部 MO 結合。通過尾部 RBD 的結合，其頭部 MO 活性位點附近的部分柔性區域構象得以固定，從而阻止活性位點中的輔因子 FAD 頭部異咯嗪環在催化過程中的正常翻轉，進而阻斷其氧化酶活性發揮（圖2）。同時，生化分析也表明，尾部 CH-LIM-RBD 區域的結合也會阻止MO氧化酶結構域和底物微絲分子的直接結合。因此，在非工作狀態中，MICAL1 通過頭尾相互作用，限制其頭部的催化反應發生和底物結合兩方面來共同抑制其活性。

隨后，研究人員進一步揭示了細胞中廣泛存在的 Rab 效應分子解開 MICAL1 自抑制的機制。MICAL1 其尾部 RBD 結構域上有兩個 Rab 分子的結合位點（RBS-I和RBS-II），通過它們來招募效應分子 Rab，對 MICAL 家族蛋白的活性發揮極為重要。通過一系列結構分析和生化驗證，研究人員提出了一個雙效應分子結合介導的多步抑制解除模式（圖3），即第一個 Rab 分子首先結合在 RBS-II 位點，穩定了 RBD 結構域中的第三個螺旋 H3 的二級結構，致使其羧基端打破 CH 結構域在 RBD 上的結合，從而釋放 RBS-I 位點來結合第二個 Rab 分子；第二個 Rab 分子的結合進一步打破 CH-LIM 和 RBD 結合的同時，也會誘發 RBD 結構域中的第一個螺旋 H1 發生偏轉，導致 RBD 不再和 MO 結合，最終釋放 MO 的催化活性來氧化并解聚微絲細胞骨架。

為了驗證 MICAL 家族蛋白采用了類似的活性調控方式，研究人員進一步研究了另一家族成員 MICAL3 的自抑制和抑制解除機制。通過序列比對以及突變實驗驗證，他們發現 MICAL3 也是采用類似的頭尾相互作用模式來形成自抑制狀態。同時，MICAL1 和 MICAL3 的 RBD 都具有兩個 Rab 結合位點，且其關鍵氨基酸十分保守，進一步推測 MICAL3 也具有和 MICAL1 相同的激活機制。因此，MICAL 家族蛋白很可能是通過保守的頭尾自抑制和雙 Rab 效應分子結合的抑制解除機制來嚴格調控其氧化酶活性（圖3），實現精準控制其所在局部區域的微絲細胞骨架的動態組裝，從而進一步調控微絲骨架相關的生命活動。

南方科技大學生命科學學院博士生林磊澍、碩士生董家源為論文的共同第一作者，魏志毅、研究副教授牛鋒鋒為論文的通訊作者。南方科技大學為論文第一單位。本項研究得到了國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科創委、深港腦科學創新研究院、深圳市生物大分子組裝與調控重點實驗室、南方科技大學生物電鏡研究院、南方科技大學冷凍電鏡中心和分析測試中心等的資金和技術支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50940-7

供稿：生命科學學院

通訊員：付文卿

主圖：丘妍

編輯：曾昱雯