《Nature Communications》：ATPγS substantially defeats the biasing mechanism for kinesin steps
编辑推荐：
本研究针对驱动蛋白-1（kinesin-1）在负载下步进方向性调控机制不清的问题，通过单分子光镊技术发现缓慢水解的ATP类似物ATPγS能显著破坏其前进步进偏向性，揭示了一个由核苷酸结合诱导的“等待异构化”（AI）态。该状态被ATPγS过度占据并引发缓慢后退步，而负载依赖的颈链对接促进AI态退出并导向水解能力形成，从而阐明了驱动蛋白在ATP环境下耦合定向扩散与水解以实现高效前进步进的分子逻辑。
在细胞内部，分子马达如同微观世界的“搬运工”，负责将各种货物沿细胞骨架定向运输。其中，驱动蛋白-1（kinesin-1）是一种典型的双头微管马达蛋白，它以ATP为燃料，沿微管进行持续性步进，其步进方向具有负载依赖性，即在负重时更倾向于向前移动。这一特性对于其在细胞内复杂环境中高效完成运输任务至关重要。然而，驱动蛋白究竟如何感知负载并据此调整步进方向，其分子层面的精确调控机制仍是一个亟待揭示的谜团。理解这一“偏向性”机制，不仅是对基本生命过程的深刻认识，也对理解相关细胞运输功能障碍疾病具有重要意义。
为了深入探究这一问题，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项研究。他们巧妙地运用了一种水解缓慢的ATP类似物——ATPγS作为探针，结合高精度的单分子光镊技术，对单个驱动蛋白分子在微管上的步进行为进行了实时观测与力学操控。
研究主要采用了单分子光镊技术，该技术能对单个驱动蛋白分子施加精确的力并记录其纳米级位移。此外，研究使用了ATPγS这一核苷酸类似物来干扰正常的ATP水解循环，并分析了不同浓度（1 mM与1 μM）ATPγS对步进行为的影响。
ATPγS对步进偏向性的影响
通过单分子光镊实验，研究人员发现，高浓度（1 mM）的ATPγS能显著破坏驱动蛋白在负载下的前进步进偏向性，导致其产生频繁的“慢速后退步”。而低浓度（1 μM）的ATPγS则能支持正常的偏向性。这一对比表明，ATPγS的效应具有浓度依赖性，并提示其通过干扰核苷酸结合或水解的某个特定环节来影响步进方向。
“等待异构化”态的提出与验证
基于实验数据，研究团队提出了一个新的模型：核苷酸（ATP或ATPγS）结合到驱动蛋白的活性位点后，会使其进入一个之前未被识别的“等待异构化”（Await-Isomerisation, AI）状态。ATPγS因其缓慢的水解特性，会过度占据并稳定这个AI态。处于AI态的驱动蛋白头部处于一种“悬停”状态，容易发生偏离轴向的扩散，从而增加了产生后退步的概率。
颈链对接与水解能力的耦合
研究模型进一步指出，驱动蛋白从AI态退出并建立水解能力，这一过程受到负载依赖的颈链（neck linker）对接的促进。当后方头部（trailing head）的颈链在负载作用下发生对接时，会产生一个力，引导前方游离头部（tethered head）通过定向扩散（steered diffusion）精准捕获其下一个轴向微管结合位点。因此，在正常的ATP循环中，负载通过促进颈链对接，加速了AI态的退出和水解的发生，从而将游离头部的定向扩散与后方头部的水解过程耦合起来，确保了高效的前进步进。而高浓度ATPγS则通过过度稳定AI态，解耦了这一精密的控制逻辑。
研究结论与意义
本研究揭示，驱动蛋白-1的步进方向偏向性由一个关键的“等待异构化”（AI）态介导。核苷酸结合诱导AI态的形成，而负载依赖的颈链对接则促进该态的退出和水解能力的建立。ATPγS通过过度占据AI态，暴露了此态在步进偏向性机制中的核心作用。该机制的本质是一种控制逻辑：在ATP存在下，它将前方头部的定向扩散捕获与后方头部的负载依赖性颈链对接及核苷酸水解相耦合，从而在负重条件下最大化前进步进效率。这项研究不仅深化了对分子马达工作机制的理解，揭示了其高效性与鲁棒性的结构基础，也为干预微管相关运输障碍提供了新的理论视角和潜在的靶点思路。
