近日，南方科技大学生命科学学院神经生物学系魏志毅副教授课题组在学术期刊 Nature Communications 上发表了题为“Autoinhibition and Relief Mechanisms for MICAL Monooxygenases in F-actin Disassembly”的研究论文，首次解析了微丝细胞骨架解聚因子 MICAL1 全长分子的冷冻电镜三维结构，揭示了其自抑制形成和解除的分子机制。
人体细胞如同一座精心设计的建筑，其内部的“骨架”——细胞骨架，为细胞提供了必要的结构支撑和功能基础。细胞骨架不仅帮助细胞维持其形状和整体结构，还参与细胞的移动和分裂过程。作为细胞骨架的关键组成部分，肌动蛋白通过在单体和微丝纤维之间快速聚合与解聚，为细胞的动态变化提供了基础。动态变化的微丝细胞骨架对于细胞的生命活动至关重要，但肌动蛋白并不是单独工作的，细胞通过一些辅助蛋白来调控它的动态性。近年来，科学家们发现了一类名为 MICAL 家族蛋白的辅助因子，它们能够对肌动蛋白进行特定的化学修饰，促进细胞骨架解聚。这一过程可以类比于建筑框架上的标记，这些标记使得拆除工作更为高效。MICAL 家族蛋白在辅因子 FAD 和 NADPH 的协助下，利用其氧化酶活性，对肌动蛋白进行化学性共价修饰。与传统的微丝骨架调控因子不同，MICAL 家族蛋白通过这种化学修饰，实现了对细胞骨架局部的高效和精确调控。它们是当前研究化学修饰如何影响细胞骨架动态变化的重要分子。尽管 MICAL 家族蛋白在细胞骨架的调控中扮演着至关重要的角色，我们对其活性控制机制的理解仍处于初步阶段。MICAL 蛋白的构象变化复杂，使得在全长分子层面上对其活性控制的理解面临挑战。科学家们正在努力研究MICAL家族蛋白的活性是如何被控制的，这将帮助人们更好地理解细胞这一复杂“建筑”内部结构发生动态变化的过程。
近日，MICAL 家族蛋白活性调控的机制取得了进展。经过长期摸索，魏志毅研究团队成功在体外表达并纯化了高质量的 MICAL1 全长蛋白样品。研究团队发现，这一蛋白样品主要以单体形式存在，且其氧化酶活性相对较低，表明 MICAL1 蛋白处于自抑制状态。借助冷冻电镜技术，他们成功解析了 MICAL1 蛋白的高分辨率三维结构，揭示了其多个结构域组装形成的自抑制构象（图1）。
研究人员通过结构分析发现，MICAL1 氨基端的氧化酶 MO 结构域和羧基端的 CH-LIM-RBD 结构域通过头尾相互作用形成自抑制构象。其中，尾部的三个结构域 CH-LIM-RBD 组装成为一个紧密的三元结构，帮助最尾端的 RBD 直接与头部 MO 结合。通过尾部 RBD 的结合，其头部 MO 活性位点附近的部分柔性区域构象得以固定，从而阻止活性位点中的辅因子 FAD 头部异咯嗪环在催化过程中的正常翻转，进而阻断其氧化酶活性发挥（图2）。同时，生化分析也表明，尾部 CH-LIM-RBD 区域的结合也会阻止MO氧化酶结构域和底物微丝分子的直接结合。因此，在非工作状态中，MICAL1 通过头尾相互作用，限制其头部的催化反应发生和底物结合两方面来共同抑制其活性。
随后，研究人员进一步揭示了细胞中广泛存在的 Rab 效应分子解开 MICAL1 自抑制的机制。MICAL1 其尾部 RBD 结构域上有两个 Rab 分子的结合位点（RBS-I和RBS-II），通过它们来招募效应分子 Rab，对 MICAL 家族蛋白的活性发挥极为重要。通过一系列结构分析和生化验证，研究人员提出了一个双效应分子结合介导的多步抑制解除模式（图3），即第一个 Rab 分子首先结合在 RBS-II 位点，稳定了 RBD 结构域中的第三个螺旋 H3 的二级结构，致使其羧基端打破 CH 结构域在 RBD 上的结合，从而释放 RBS-I 位点来结合第二个 Rab 分子；第二个 Rab 分子的结合进一步打破 CH-LIM 和 RBD 结合的同时，也会诱发 RBD 结构域中的第一个螺旋 H1 发生偏转，导致 RBD 不再和 MO 结合，最终释放 MO 的催化活性来氧化并解聚微丝细胞骨架。
为了验证 MICAL 家族蛋白采用了类似的活性调控方式，研究人员进一步研究了另一家族成员 MICAL3 的自抑制和抑制解除机制。通过序列比对以及突变实验验证，他们发现 MICAL3 也是采用类似的头尾相互作用模式来形成自抑制状态。同时，MICAL1 和 MICAL3 的 RBD 都具有两个 Rab 结合位点，且其关键氨基酸十分保守，进一步推测 MICAL3 也具有和 MICAL1 相同的激活机制。因此，MICAL 家族蛋白很可能是通过保守的头尾自抑制和双 Rab 效应分子结合的抑制解除机制来严格调控其氧化酶活性（图3），实现精准控制其所在局部区域的微丝细胞骨架的动态组装，从而进一步调控微丝骨架相关的生命活动。
南方科技大学生命科学学院博士生林磊澍、硕士生董家源为论文的共同第一作者，魏志毅、研究副教授牛锋锋为论文的通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。本项研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科创委、深港脑科学创新研究院、深圳市生物大分子组装与调控重点实验室、南方科技大学生物电镜研究院、南方科技大学冷冻电镜中心和分析测试中心等的资金和技术支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50940-7
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