Structure of the F-actin-tropomyosin complex.
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DOI：
10.1038/nature14033
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发表时间：
2015-03-05
期刊：
影响因子：
64.8
通讯作者：
Raunser, Stefan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
von der Ecken, Julian;Mueller, Mirco;Lehman, William;Manstein, Dietmar J.;Penczek, Pawel A.;Raunser, Stefan
丝状肌动蛋白（F - 肌动蛋白）是肌肉细肌丝的主要蛋白质，而肌动蛋白微丝是真核细胞骨架的主要组成部分。不同肌动蛋白异构体的突变会导致早发性常染色体显性非综合征性听力损失、家族性胸主动脉瘤和夹层以及多种肌病变异。在横纹肌纤维中，肌球蛋白马达与肌动蛋白丝的结合主要由原肌球蛋白和肌钙蛋白调节。原肌球蛋白在平滑肌和非肌细胞中也与F - 肌动蛋白结合，并且在没有肌钙蛋白的情况下稳定和调节那里的肌丝。尽管单体肌动蛋白（G - 肌动蛋白）的晶体结构是已知的，但F - 肌动蛋白的高分辨率结构仍然缺失，这阻碍了我们对致病突变如何影响肌肉细肌丝和微丝功能的理解。在此我们报道了通过冷冻电子显微镜测定的与分辨率为6.5埃的原肌球蛋白复合的分辨率为3.7埃的F - 肌动蛋白的三维结构。该结构显示D - 环是有序的，并作为稳定F - 肌动蛋白丝的疏水和静电相互作用的中心区域。我们清楚地识别出对应于ADP和Mg²⁺的密度，并解释了显著致病突变体可能产生的影响。F - 肌动蛋白与G - 肌动蛋白的比较揭示了肌丝形成过程中的构象变化，并确定D - 环是其关键介导因素。我们还证实带负电荷的原肌球蛋白与F - 肌动蛋白上带正电荷的凹槽相互作用。将原肌球蛋白在F - 肌动蛋白 - 原肌球蛋白中的位置与其在我们先前确定的肌动蛋白 - 原肌球蛋白 - 肌球蛋白结构中的位置进行比较，揭示了肌球蛋白诱导的原肌球蛋白的转变。我们的结果使我们能够理解个体突变在肌动蛋白和原肌球蛋白相关疾病发生中的作用，并将为药物的靶向开发提供坚实的基础。
Filamentous actin (F-actin) is the major protein of muscle thin filaments, and actin microfilaments are the main component of the eukaryotic cytoskeleton. Mutations in different actin isoforms lead to early-onset autosomal dominant non-syndromic hearing loss, familial thoracic aortic aneurysms and dissections, and multiple variations of myopathies. In striated muscle fibres, the binding of myosin motors to actin filaments is mainly regulated by tropomyosin and troponin. Tropomyosin also binds to F-actin in smooth muscle and in non-muscle cells and stabilizes and regulates the filaments there in the absence of troponin. Although crystal structures for monomeric actin (G-actin) are available, a high-resolution structure of F-actin is still missing, hampering our understanding of how disease-causing mutations affect the function of thin muscle filaments and microfilaments. Here we report the three-dimensional structure of F-actin at a resolution of 3.7 ångstroms in complex with tropomyosin at a resolution of 6.5ångstroms, determined by electron cryomicroscopy. The structure reveals that the D-loop is ordered and acts as a central region for hydrophobic and electrostatic interactions that stabilize the F-actin filament. We clearly identify the density corresponding to ADP and Mg2+ and explain the possible effect of prominent disease-causing mutants. A comparison of F-actin with G-actin reveals the conformational changes during filament formation and identifies the D-loop as their key mediator. We also confirm that negatively charged tropomyosin interacts with a positively charged groove on F-actin. Comparison of the position of tropomyosin in F-actin–tropomyosin with its position in our previously determined actin–tropomyosin–myosin structure reveals a myosin-induced transition of tropomyosin. Our results allow us to understand the role of individual mutations in the genesis of actin- and tropomyosin-related diseases and will serve as a strong foundation for the targeted development of drugs.
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