中國科大系統揭示胞內運輸復合體組裝新機制

近日，中國科學技術大學生命科學與醫學部張凱課題組在《自然》在線發表題為“Roles of microtubules and LIS1 in dynein transport machinery assembly”的研究論文。該研究系統性地揭示了微管與LIS1介導的胞質動力蛋白-1（dynein）運輸系統的組裝與啟動的新機制，這與領域過去十多年盛行的經典模型顯著不同。新的發現表明：Dynein運輸復合體的組裝并不由傳統認為的接頭蛋白介導，也不發生在以往認為的細胞質中，而是直接發生在“太常見不過、以至于被長期忽視”的微管上。研究表明，微管不僅是為運輸復合體提供被動的軌道，更是一種主動的介導運輸機器的裝配平臺，而LIS1的介入則重塑了原有的組裝過程，并特異性地募集低微管親和力的dynein分子到微管附近。

細胞“運輸系統”的核心難題

在真核細胞中，大量生命活動依賴于時空上精確而高效的物質運輸。線粒體、內質網、溶酶體、高爾基體、自噬體、細胞核、RNA-蛋白復合物、各類囊泡、蛋白聚集體，以及細胞骨架及骨架蛋白自身等，都需要在特定時間被運送到特定位置。承擔這一關鍵任務的核心動力來源之一，是骨架分子馬達，其中胞質動力蛋白-1負責細胞內幾乎所有的沿著微管的負向運輸過程。Dynein在細胞中的作用就如同汽車等交通工具對人類日常生活的影響一樣重要，廣泛參與神經發育、免疫極化、蛋白質清除、精子形成、纖毛運動和胚胎發育等幾乎一系列關鍵過程，也關鍵性地負責病毒等病原體在宿主細胞中的長距離定向運輸。鑒于其對大量基本生命活動至關重要，dynein自身或其輔因子的功能障礙與多種神經退行性疾病、發育異常及免疫缺陷密切相關。

圖1：Dynein由自抑制的“Φ粒”被激活為DDA復合物的總體機制。紅色問號表示這些過程的深入機制有待進一步研究。

然而，dynein本身處于兩級自抑制狀態（Cell 2017）：（1）單獨的dynein主要以一種被稱為“Φ粒”子的狀態存在，處于自鎖狀態，無法完成機械化學循環，也無法結合微管；（2）即使dynein可以自發或受到輔因子調控打開，開放態的dynein無法處于穩定的平行構象，不能有效做持續性的單向運輸，只能處于極低程度的運動活性。只有與激活因子dynactin及貨物適配蛋白（adaptor）組裝形成dynein–dynactin–adaptor（DDA）三元復合體后，才能實現高效、持續的運動。因此，一個核心問題始終困擾著該領域：dynein驅動的細胞運輸機器如何組裝并啟動的？

一個長期存在的困惑：組裝效率為何如此矛盾？

傳統模型認為，DDA 復合體首先在細胞質中完成組裝，然后整體結合到微管上啟動運輸。然而，這一模型存在明顯問題：在體外條件下，復合體組裝效率極低（約3%），往往需要大量adaptor或非生理條件才能觀察到穩定復合物。因為dynein樣品本身就是屬于特別難對付的那種類型，這種極低的組裝效率在過去往往被簡單地認為 “樣品性質不好”。然后，研究人員通過系統性實驗，發現事情遠非如此，即便得到幾近完美的樣品也是同樣的表現。這一現象與其在細胞內高效、快速的運輸形成鮮明對比，也提示研究人員重新思考：是不是DDA復合物在胞漿中本來就是這種效率？或adaptors介導的組裝途徑壓根就不是它的主要形式，亦或者細胞中極有可能存在不同的組裝路徑。

太顯而易見，以至于被長期忽視的“主角”——微管

研究人員系統重構了DDA復合物的體外組裝過程。結果發現，在沒有微管的條件下，即使使用高親和力接頭蛋白，溶液中三元復合物形成比例仍僅約3%，且這一低效率在不同核苷酸條件下均保持一致。相比之下，在微管存在時，復合體組裝效率顯著提高，并表現出明顯的核苷酸依賴性。

進一步定量分析顯示，隨著微管濃度增加，更多dynein–dynactin（DD）復合物結合到微管上。在非水解型ATP條件下，多達80%的dynein以DD形式結合微管；即使在通常認為親和力較低的ATP或ADP·Vi條件下，也能觀察到穩定裝配。電子顯微鏡分析進一步證實，在混合體系中形成的三元復合物幾乎全部定位于微管上。

為驗證這一現象的普遍性，研究團隊對多種已報道的接頭蛋白進行了系統測試，包括BICDR1、BICD2、HOOK3、RILP、SPDL1、JIP家族和HAP1等。結果顯示，在缺乏微管時，大多數體系中仍以分離狀態的dynein和dynactin為主，而三元復合體形成極為有限。這表明，微管是介導運輸復合體組裝的關鍵因素，而不僅僅作為被動軌道。

圖2：Dynein–dynactin相對于接頭蛋白明顯更傾向于結合微管的多種互補的實驗證據。

新的組裝機制：微管先行，而非接頭蛋白驅動

傳統模型認為，接頭蛋白首先介導dynein與dynactin結合，并關鍵性地決定了dynein-dynactin的化學計量（例如BICDR1和BICD2分別介導2個和1個dynein分子結合dynactin，Nature 2018）。新的研究結果則顯示，與傳統認知剛好相反，dynein在結合微管后即可發生關鍵構象變化，其馬達結構域自動排列為平行狀態，并進一步誘導尾部區域形成有利于dynactin結合的構象，從而高效形成DD復合物。特別的，結合微管后的dynein-dynactin復合物始終自發呈現穩定的2：1化學計量比，且這一過程完全不依賴于接頭蛋白。這一發現表明，dynein運輸系統是優先在其行走的“軌道”微管上直接形成的，而在胞質中的接頭蛋白并非其初始裝配的決定因素。

圖3：DDA組裝復合體在微管上的模型圖、不同狀態的冷凍電鏡檢查，以及沒有接頭蛋白的情況下的DD-MT高分辨結構。

接頭蛋白的動態進入與交換

在新的框架下，一個關鍵問題是接頭蛋白如何結合到已形成的微管結合DD復合物中。實驗結果顯示，無論是先在溶液中預組裝后再加入微管，還是先在微管上形成DD復合物再加入接頭蛋白，均可成功形成DDA復合體。這說明接頭蛋白能夠在DD復合物形成后再結合。更深入的動態結構和生化分析表明，DD復合物存在一種特殊的動態構象波動，可在特定狀態下開放關鍵結合位點，從而形成一種 “動態門控”機制，允許接頭蛋白直接進入在微管上的DD復合物。進一步的微管上競爭性實驗表明，不同接頭蛋白可以在微管上對同一DD復合物進行替換，高親和力接頭能夠取代低親和力接頭，而無需復合體徹底解離。這一機制成功解釋了細胞中長距離運輸過程中接頭蛋白的階段性交替，而傳統模型則和這些現象相悖。

圖4：不同組裝途徑的生化證據表明預組裝在微管上的DD復合物具備“動態門控”，并與結構證據互相印證。

研究人員進一步探討了adaptors是如何被招募到微管結合的DD復合物上。結果發現，多數adaptors的一個關鍵結合區域CC1 box處于自抑制狀態，被一段類似于dynein中輕鏈（LIC）的螺旋結構所占據，形成一種“自我封閉”（self-locked）的構象。去除這一抑制螺旋后，adaptor與DD復合物的結合親和力明顯增強。然而，如果進一步將整個CC1 box區域刪除，反而會顯著降低結合能力。值得注意的是，這一現象在先于微管和微管結合后再招募的兩種條件下均一致，說明CC1 box既受到自抑制調控，又是實現穩定招募所必需的關鍵結構元件。

微管上的接頭交換：長距離持續運輸成為可能

如果adaptor能夠“擠入”已形成的微管結合DD復合物，那么也就存在一種可能性：接頭蛋白有可能在該復合物不被徹底解聚的前提下，也是可以在DD復合物中與其它接頭相互交換的(exchangeable)。

為驗證這一假設，研究人員設計并進行了一個“微管上的競爭實驗”(on-microtubule competition assay)。簡單說，研究人員首先在微管上組裝形成DDK復合物，這是比較弱的一種DDA complex，隨后向沉淀中加入含有BicDR1的溶液。同時還進行了反向實驗，即先組裝DDB，再加入Track2。凝膠結果清楚顯示：BicDR1能有效置換Track2進入DD復合物，而由于親和力較低，Track2幾乎無法競爭性地置換BicDR1。不過，當刪除了Track2中的自抑制螺旋(autoinhibited helix)，從而增強其結合親和力后，Track2 即可在一定程度上與BicDR1進行競爭，實現在微管上的部分置換。

圖5：冷凍電鏡結果直接“看到”不同親和力的adaptors可以直接在預組裝的DD-MT復合物內部直接競爭交換，與生化結果相互印證。

研究人員進一步進行了冷凍電鏡(cryo-EM)分析，以定量觀察微管上adaptor競爭置換過程中的結構變化。結果與凝膠實驗的觀察高度一致。研究首先獲得了微管結合態的DDK和DDR復合物并對兩種不同親和力的DDA復合物進行結構比較。在預組裝DDK–微管復合物后，加入BicDR1所獲得的結構，很明顯，大多數復合物已經轉變為DDR，僅有少數例外仍保留為DDK。和凝膠結果一致，反過來用DDK來競爭已經形成好的DDR則不行。

LIS1：擴展組裝過程，而非產量

長期以來，LIS1被認為是促進dynein激活和DDA復合體形成的關鍵因子，其真實作用機制一直不清，甚至不同研究結果在特定情況下相互矛盾。本研究發現，在相對干凈的體系中，遵循單一因子變量原則，系統性地驗證了無論在溶液還是微管上，LIS1幾乎不會顯著增加最終DDA復合體的產量，表明其作用并不體現在形成更多復合體的“數量”層面。

圖6：動態冷凍電鏡分析揭示了LIS-p150介導的弱微管親和力的dynein分子捕獲機制。

進一步的結構、生化和單分子分析顯示，LIS1的核心功能在于調控組裝過程：它能夠穩定多種組裝中間體，擴展組裝的構象空間，并特異性標記處于低微管親和力狀態的dynein分子。與此同時，dynactin上的長而柔性的p150結構可從微管上的預組裝DD復合體伸出，像“章魚觸手”一樣特異性地捕獲這些被LIS1標定的低微管親和力的dynein，實現動態募集；而當dynein穩定結合微管形成平行構象后，微管結合導致的變構效應則迫使LIS1從dynein上解離。

綜上所述，研究人員證明LIS1真正的作用并不是增加最終的運輸復合體量，而是通過重塑組裝路徑、提高動態招募效率，并在運輸過程中增強其靈活性和動力學性能。這一結果清晰地區分了“量”與“過程”混淆導致的誤區，協調了領域內長期存在的爭論。

圖7：本研究對dynein運輸復合體組裝的新機制系統性總結和更新。關于經典模型部分（x）因其僅占整個組裝效率的3%左右并在以往文獻中有更詳細解釋，所以在本圖中省略。

中國科大生命科學與醫學部張凱教授為本研究的通訊作者，南京醫科大學饒欽輝教授（張凱實驗室前博后，兼本論文共通訊作者）及中國科大張凱實驗室楊俊特任副研究員為文章共同一作。張凱實驗室前博士生柴鵬鑫（現為哈佛大學博士后）發展的微管結合態運輸復合體的高分辨cryo-EM方法對本研究有關鍵推動作用，科羅拉多州立大學Steven Markus教授在DDA組裝效率方面給予了重要協作。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10153-y