我国科学家系统揭示胞内运输复合体组装新机制
我国科学家系统揭示胞内运输复合体组装新机制
北京时间2026年2月19日，中国科学技术大学生命科学与医学部张凯课题组在Nature期刊在线发表了题为“Roles of microtubules and LIS1 in dynein transport machinery assembly”的研究论文。
该研究系统性地揭示了微管与LIS1介导的胞质动力蛋白-1（dynein）运输系统的组装与启动的新机制，这与领域过去十多年盛行的经典模型显著不同。新的发现表明：Dynein运输复合体的组装并不由传统认为的接头蛋白介导，也不发生在以往认为的胞质中，而是直接发生在“再常见不过、以至于被长期忽视”的微管上。研究表明，微管不仅是为运输复合体提供被动的轨道，更是一种主动的介导运输机器的装配平台，而LIS1的介入则重塑了原有的组装过程，并特异性地募集低微管亲和力的dynein分子到微管附近。
细胞“运输系统”的核心难题
在真核细胞中，大量生命活动依赖于时空上精确而高效的物质运输。线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体、自噬体、细胞核、RNA-蛋白复合物、各类囊泡、蛋白聚集体，以及细胞骨架及骨架蛋白自身等，都需要在特定时间被运送到特定位置。承担这一关键任务的核心动力来源之一，是骨架分子马达，其中胞质动力蛋白-1负责细胞内几乎所有的沿着微管的负向运输过程。Dynein在细胞中的作用就如同汽车等交通工具对人类日常生活的影响一样重要，广泛参与神经发育、免疫极化、蛋白质清除、精子形成、纤毛运动和胚胎发育等几乎一系列关键过程，也关键性地负责病毒等病原体在宿主细胞中的长距离定向运输。鉴于其对大量基本生命活动至关重要，dynein自身或其辅因子的功能障碍与多种神经退行性疾病、发育异常及免疫缺陷密切相关。
图1：Dynein由自抑制的“Φ粒”被激活为DDA复合物的总体机制。红色问号表示这些过程的深入机制有待进一步研究。
然而，dynein 本身处于两级自抑制状态 （Cell 2017）：（1）单独的dynein主要以一种被称为“Φ粒”子的状态存在，处于自锁状态，无法完成机械化学循环，也无法结合微管；（2）即使dynein可以自发或受到辅因子调控打开，开放态的dynein无法处于稳定的平行构象，不能有效做持续性的单向运输，只能处于极低程度的运动活性。只有与激活因子 dynactin 及货物适配蛋白（adaptor）组装形成 dynein–dynactin–adaptor（DDA）三元复合体后，才能实现高效、持续的运动。因此，一个核心问题始终困扰着该领域：dynein驱动的细胞运输机器如何组装并启动的？
一个长期存在的困惑：组装效率为何如此矛盾？
传统模型认为，DDA 复合体首先在细胞质中完成组装，然后整体结合到微管上启动运输。然而，这一模型存在明显问题：在体外条件下，复合体组装效率极低（~3%），往往需要大量 adaptor 或非生理条件才能观察到稳定复合物。因为dynein样品本身就是属于特别难对付的那种类型，这种极低的组装效率在过去往往被简单地认为 “样品性质不好”。然后，研究人员通过系统性实验，发现事情远非如此，即便得到几近完美的样品也是同样的behavior。这一现象与其在细胞内高效、快速的运输形成鲜明对比，也提示研究人员重新思考：是不是DDA复合物在胞浆中本来就是这种效率?或adaptors介导的组装途径压根就不是它的主要途径，抑或细胞中极有可能存在不同的组装路径。
太显而易见了，以至于被长期忽视的“主角”——微管
研究人员系统重构了DDA复合物的体外组装过程。结果发现，在没有微管的条件下，即使使用高亲和力接头蛋白，溶液中三元复合物形成比例仍仅约3%，且这一低效率在不同核苷酸条件下均保持一致。相比之下，在微管存在时，复合体组装效率显著提高，并表现出明显的核苷酸依赖性。
进一步定量分析显示，随着微管浓度增加，更多dynein–dynactin（DD）复合物结合到微管上。在非水解型ATP条件下，多达约80%的dynein以DD形式结合微管；即使在通常认为亲和力较低的ATP或ADP·Vi条件下，也能观察到稳定装配。电子显微镜分析进一步表明，在混合体系中形成的三元复合物几乎全部定位于微管上。
为验证这一现象的普遍性，研究团队对多种已报道的接头蛋白进行了系统测试，包括BICDR1、BICD2、HOOK3、RILP、SPDL1、JIP家族和HAP1等。结果显示，在缺乏微管时，大多数体系中仍以分离状态的dynein和dynactin为主，而三元复合体形成极为有限。这表明，微管是介导运输复合体组装的关键因素，而不仅仅作为被动轨道。