标题揭示 dynein- 2 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）。

图 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。