公共卫生学院（深圳）方强林教授与合作者研究揭示微管相关蛋白MAP7调控驱动蛋白-1的结构和功能机制

近日，方强林教授作为共同第一和共同通讯作者在权威学术期刊Science发表题为“Structural and functional insight into regulation of kinesin-1 by microtubule-associated protein MAP7”的研究论文，该论文由方强林教授博士后合作导师美国加州大学伯克利分校Eva Nogales团队和Ahmet Yildiz团队共同完成。该研究综合运用冷冻电镜技术、Rosetta建模、分子动力学模拟和荧光显微术等，阐明了MAP7的微管结合结构域（microtubule binding domain：MTBD）与微管结合的分子机制，并揭示了MAP7对驱动蛋白的双相调控机制。

驱动蛋白是微管相关的分子马达。MAP7是驱动蛋白所驱动的细胞内转运所必需的辅因子。MAP7的投射结构域（projection domain）结合驱动蛋白的卷曲螺旋柄（coiled-coil stalk），将驱动蛋白招募到微管上，并激活其运动性。然而，MAP7对驱动蛋白的调控机制尚不清楚。

为了理解MAP7调控驱动蛋白的分子机制，研究团队解析了全长MAP7-微管复合物的冷冻电镜结构。运用对称扩展（symmetry expansion）和基于微管原丝的冷冻电镜密度扣除（protofilament-based density subtraction ）法，该冷冻电镜结构的最终分辨率被提高到3.3埃，被用于原子模型搭建。MAP7用一段a螺旋结构结合在微管原丝的外脊和相邻微管原丝横向接触部位的中间位置。由于MAP7区域的局部分辨率比整体的3.3埃略差，MAP7区域原子模型的残基序列无法直接被确定。作者使用蛋白质设计软件Rosetta，通过Rosetta建模的方法找到了MAP7原子模型的序列，最终获得全长MAP7-微管复合物的原子结构模型，阐明了MAP7 MTBD与微管相互作用的分子机制。

通过测定MAP7及其截短体对驱动蛋白及其截短体在微管上运动性的影响，团队发现MAP7对驱动蛋白存在双相调控。MAP7 的MTBD抑制而其投射结构域激活驱动蛋白。团队将微管与MAP7、驱动蛋白孵育，解析了孵育后微管结构，结果显示MAP7 MTBD和驱动蛋白与微管的结合存在竞争关系。接着团队验证了MAP7 MTBD对驱动蛋白的抑制是由于其与驱动蛋白竞争结合微管，并研究了驱动蛋白如何在结合了MAP7的微管上“行走”。

基于此研究结果和之前的报道，团队提出了驱动蛋白在有MAP7修饰的微管上“行走”模型，MAP7将驱动蛋白招募到微管并激活随后的运动；同时，MAP7与微管结合也阻碍了驱动蛋白沿着原丝的步进，导致驱动蛋白从微管解离。然而，MAP7的投射结构域将驱动蛋白栓系到微管表面，允许驱动蛋白重新结合在未被MAP7 MTBD占据的附近微管位点。这种双相调控机制也许可以使细胞能通过改变微管上MAP7的密度来精确控制驱动蛋白驱动的物质转运。

方强林博士于2021年3月人才引进到我院任教授，先后师从于中国科学院生物物理研究所许瑞明教授，普渡大学病毒结构生物学先驱之一Michael G. Rossmann教授，加州大学伯克利分校冷冻电镜领域先驱之一Eva Nogales教授。方强林教授团队主要利用冷冻电镜技术，结合以Rosetta建模为基础的蛋白质设计，从事病毒结构生物学的基础研究（如病毒组装机制、病毒与宿主的相互作用机制）和应用研究（如疫苗设计开发、药物设计开发）。迄今，方强林教授已发表学术论文15篇，其中6篇以第一或共同第一作者发表在Science、NSMB、Nature Communications、eLife等学术期刊。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf6154

撰稿：方强林  

初审：肖永清  

审核：舒跃龙  

审核发布：汪宗芳