Nat Chem Biol | 张凯/Markus实验室合作揭示Lis1介导动力蛋白自抑制解除的“核苷酸密码”

胞质动力蛋白-1（cytoplasmic dynein-1，简称dynein）是一种沿微管运输多种细胞货物的重要分子马达，参与组织形态发生、有丝分裂等关键细胞过程。为了确保其在正确的时空环境中被激活，dynein的活性受到严格调控。其中，自抑制构象（因形似希腊字母Φ而被称为Phi构象）是其调控的关键中间态。光滑脑回（lissencephaly）相关蛋白Lis1被认为是解除dynein自抑制的重要激活因子。尽管已有大量细胞学、生化及结构研究表明Lis1可“打开”dynein的自抑制或稳定其开放（open）构象，但Lis1在全长dynein背景下发挥作用的精确分子机制仍不明确。

其中的一个主要挑战在于：Lis1与dynein之间存在多种结合模式，这为机制研究带来了长期困扰。此前针对dynein马达结构域截短体的研究表明，Lis1既可以通过单个WD40结构域与马达结构域结合，也可以通过两个WD40结构域同时结合一个马达结构域。由于dynein马达含有多个AAA+结构域（各自处于不同的核苷酸状态），此前研究已观察到Lis1结合模式受这些核苷酸状态的影响。然而，Lis1结合模式如何被不同核苷酸状态调控，以及不同结合模式如何影响全长dynein的构象，一直缺乏系统的理解。

2026年1月22日，中国科学技术大学张凯课题组与科罗拉多州立大学Steven Markus课题组在Nature Chemical Biology发表了文章A nucleotide code governs Lis1’s ability to relieve dynein autoinhibition，揭示了一种调控dynein活化的“核苷酸密码（nucleotide code）”，并发现了此前未被报道的关键中间态。

受到“微管密码（tubulin code）”与“组蛋白密码（histone code）”概念的启发，团队提出dynein可能同样存在“核苷酸密码”——即其多个AAA+模块的核苷酸状态组合共同决定Lis1的结合方式与dynein的构象状态。为了验证这一个假说，研究团队以出芽酵母dynein为模型，通过在马达结构域（截短体）中特定AAA+模块引入影响核苷酸结合或水解的突变，利用质量光度法定量分析Lis1–dynein的结合特性。结果显示，AAA1、AAA3和AAA4模块协同调控Lis1的亲和力，而不同的核苷酸状态决定Lis1结合的化学计量比，从而解释了以往文献中部分相互矛盾的结果。尤其值得注意的是，当AAA3处于apo（未结合核苷酸）状态时，一个Lis1二聚体可通过其两个WD40结构域“桥接”两个马达结构域。这一现象在全长dynein中同样得到验证，即一个Lis1二聚体可同时结合一个全长dynein分子的两个马达结构域。负染电镜分析进一步表明，这种“桥接”对应的dynein处于一种“开放”构象，极有可能代表其活化过程中的关键中间态。

为阐明这种桥接作用的结构基础，研究团队利用单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）解析了全长Dynein–Lis1复合物的结构。结果显示，每个dynein马达结构域与Lis1的一个WD40结构域相互作用，这与负染结果一致，且Lis1结合与AAA3的apo状态密切相关。高分辨率结构进一步揭示，dynein的杠杆臂结构域（linker）与Lis1 WD40表面之间存在一种此前未被发现、甚至曾被认为不存在的新型接触界面。研究者推测，该linker–Lis1相互作用可稳定AAA3的apo状态，从而决定Lis1结合的化学计量比并调节dynein自抑制的解除。基于结构的界面突变实验，以及配合的生化与细胞功能验证，进一步支持了这一模型（图1）。

图1:Lis1与Dynein马达结构域的结合及活化模型。

该研究的共同第一作者包括科罗拉多州立大学Markus课题组的Indigo C. Geohring与Bharat R. Iyer博士，以及张凯课题组的柴鹏鑫博士（现为哈佛大学博士后）。该研究获得NIH资助及耶鲁电镜中心支持。

值得一提的是，张凯课题组近期与Yildiz团队在人源dynein研究中发现了一种特殊的过渡态复合物PhiL-Lis1，并系统证明该复合在Lis1/Nde1介导的dynein激活机制中起到关键作用。这一发现与本项研究结果在不同维度充分互补，进一步丰富了对dynein活化机制的理解（详见BioArt报道：）。

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02096-8

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