欧光朔研究组在《Current Biology》发表论文揭示dynein-2的运动和调控机制

2017年5月4日,清华大学生命科学院欧光朔研究组在《Current Biology》杂志在线发表了题为“线虫感觉纤毛中Dynein驱动的反向鞭毛内运输呈现三相模式”(Dynein-Driven Retrograde Intraflagellar Transport Is Triphasic in C. elegans Sensory Cilia)的文章,报道胞质动力蛋白2(dynein-2)在纤毛中的运动和调控机制。

纤毛是参与运动和外界信号感知的重要细胞器,其组装和维持依赖于高度有序而保守的双向鞭毛内运输(intraflagellar transport,IFT)机制。胞质动力蛋白2(cytoplasmic dynein-2)是介导反向运输的马达蛋白复合物,由~500 kD的重链亚基和若干小的辅助亚基组成。2015年,欧光朔研究组通过CRISPR/Cas9介导的条件性基因敲方法鉴定出部分胚胎发育必需的辅助亚基参与纤毛建成和dynein-2组装,并且呈现不同的动态转向行为(Li et al., Journal of Cell Biology, 2015)。然而,dynein-2的核心成分——重链亚基是如何在纤毛中定位、运动以及被调控的并不清楚。

本研究利用基因组编辑技术对dynein-2重链CHE-3进行了绿色荧光蛋白(GFP)基因敲入,首次在活体多细胞动物中对dynein-2重链进行了观察和分析。高分辨率活体实时成像结果显示,dynein-2介导的反向IFT呈现三相模式,即在纤毛尖端区域,反向IFT速度约1.2 μm/s,在纤毛中间区域,反向IFT达到1.5 μm/s,而在纤毛基部,IFT速度又下降至1.2 μm/s。进一步通过CRISPR/Cas9敲入疾病相关突变位点,课题组发现CHE-3尾部结构域中R295C突变破坏这一运动模式,提示尾部结构域及可能与之结合的辅助亚基或货物对dynein-2的运动具有精细的调控作用。通过对一系列截短突变形式的GFP::CHE-3进行定位分析,课题组发现重链亚基的纤毛定位依赖于其尾部结构域、中间轻链、IFT颗粒亚复合物IFT-B。这些结果表明在正向运输过程中,dynein-2作为驱动蛋白kinesin-2的货物,通过IFT颗粒与尾部结构域被运输进入纤毛。IFT颗粒亚复合物IFT-A参与反向IFT,但其对dynein-2的调控作用仍不清晰。利用GFP免疫共沉淀(immunoprecipitation,IP)和质谱分析,研究组克隆了尚未被发现的线虫IFT-A成分IFT43蛋白,并发现在反向IFT过程中,IFT43和IFT139可能通过连接IFT颗粒与dynein-2重链的尾部结构域,从而激活这一马达蛋白。基于以上结果,课题组提出了纤毛中较为完整的dynein-2的运动模型(图1)。

1. 在线虫中,同属于驱动蛋白2家族的驱动蛋白II和OSM-3/Kif17共同作用介导正向运输过程。该过程中,dynein-2作为货物被运输进入纤毛。在纤毛尖端,IFT43和IFT139通过连接IFT颗粒与dynein-2重链的尾部结构域,激活dynein-2。不同的辅助亚基在纤毛中间区域转向,并进一步促进dynein-2的运动。在纤毛基部,dynein-2可能通过过渡区(transition zone)以及其他因子的作用而减速。

论文的通讯作者是清华大学生命科学学院欧光朔教授,博士生易培珊是该文章的第一作者。相关蛋白质质谱工作得到了北京生命科学研究所董梦秋老师和李文君同学,清华质谱平台邓海腾老师和张文浩同学的大力帮助。线虫遗传学中心(Caenorhabditis Genetics Center)为本研究提供了部分线虫品系。本研究工作得到了清华-北大生命科学联合中心、科技部、国家自然科学基金委等相关机构和Newton Advanced Fellowship的经费资助。

原文链接:http://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(17)30424-4