引言

人类的γ-微管蛋白环状复合体（γ-TuRC）是一个由微管蛋白、GCP2、GCP3、GCP4、GCP5、GCP6、MZT1、MZT2、肌动蛋白以及几种γ-TuRC相关蛋白组成的多蛋白复合体，为细胞骨架微管的成核提供模板。干扰γ-TuRC的功能会导致轴突生长受阻【1】、有丝分裂纺锤体形成缺陷【2】，并引发严重的发育障碍【3】。γ-TuRC介导的微管成核通常在细胞质中被抑制，其活性仅限于中心体和其他微管组织中心（MTOC）中。在已知的脊椎动物γ-TuRC结构中【4-9】，γ-微管蛋白环都处于开放构象，和体内微管的13原丝的结构并不吻合。因此，γ-TuRC需要从开放构象转变为闭合构象才能聚合微管，但是这种构象转变在分子层面的机制尚不清楚。

已知有一些微管相关蛋白能将γ-TuRC募集到MTOC，还可以激活其微管成核活性，其中的代表是包含中心体小分子1（CM1）基序的一类蛋白质。CM1基序通常位于蛋白质的N端，如果蝇的中心体蛋白（centrosomin）、裂殖酵母的Mto1、酿酒酵母的Spc110p和人类的CDK5RAP2。人类的CDK5RAP2定位于中心体和高尔基体，通过RNA干扰消耗CDK5RAP2会减少中心体的微管成核，但不影响γ-TuRC的组装【10,11】。与许多中心体蛋白的典型特征一样，CDK5RAP2富含α螺旋，且有形成卷曲螺旋的倾向。CDK5RAP2的N端CM1基序有57个氨基酸，其中59-88号氨基酸的序列（也被称为γ-TuRC成核激活子，γ-TuNA）能够在体外刺激γ-TuRC的微管成核【11,12】。

CDK5RAP2的58-92号氨基酸此前在人类γ-TuRC的结构中出现【13】。在这个结构中，CDK5RAP2形成了一个二聚的卷曲螺旋，仅结合在γ-TuRC上的单一位置（位于GCP2的C端GRIP2结构域、与GCP2的N端α螺旋结合的MZT2以及GCP6的C端GRIP2结构域之间）。虽然CDK5RAP2的存在似乎将与GCP2和与GCP6结合的γ-微管蛋白的局部构象变为了更接近体内微管晶格的排列，但大多数γ-微管蛋白仍表现为开放构象。CDK5RAP2或许还可以结合在γ-TuRC上的其他位置以促进γ-微管蛋白环的闭合，但目前还缺乏这种假设的结构证据。

2024年9月24日，瑞士ETH Zürich的Michal Wieczorek团队（第一作者为Yixin Xu）在Developmental Cell上发表了文章Partial closure of the γ-tubulin ring complex by CDK5RAP2 activates microtubule nucleation。

在本研究中，研究人员从猪脑中纯化出了结合CDK5RAP2 CM1基序片段的内源γ-TuRC蛋白，并通过冷冻电子显微镜解析了其结构，发现了γ-TuRC的一种新型构象，在这种构象中，CDK5RAP2的卷曲螺旋片段与MZT2和GCP2-NHD亚基一起形成了多个复合体，研究人员称之为“CMG模块”。CMG模块锚定在γ-TuRC外表面至少4个结合位点上，每个结合位点以GCP2亚基为中心。研究人员意外地观察到多个CMG模块的存在以及γ-微管蛋白围绕整个γ-TuRC的显著位移和旋转，其中超过一半的γ-TuRC蛋白亚基处于一种与闭合构象非常接近的状态。这种γ-TuRC的部分闭合是通过形成新的γ-微管蛋白间相互作用和GCP亚基间相互作用实现的，而CMG模块的存在能够使这些相互作用界面保持稳定。此外，研究人员还纯化了体外重组的γ-TuRC蛋白。在完全重组的系统中，含有50个氨基酸的CDK5RAP2 CM1基序片段能够强烈激活重组的人类γ-TuRC，且这种激活依赖于CMG特异性界面的存在。结果表明，哺乳动物γ-TuRC中构象调节的位点主要在于GCP2和GCP3构成的γ-TuRC亚基，而不是另一侧的GCP4/5/6亚基。综上所述，本文验证了哺乳动物脑组织是内源γ-TuRC纯化的优质来源，并且解析了一种CMG模块装饰的部分闭合的γ-TuRC构象。这一新构象为γ-TuRC相关研究提供了结构证据，表明在没有α/β-微管蛋白的情况下其他辅助蛋白可以将γ-TuRC转变为闭合状态，为γ-TuRC的激活途径提供了新的见解，解释了其在体外较低微管成核活性的原因。

模式图（Credit: Developmental Cell）

值得一提的是，西班牙国家癌症研究中心Oscar Llorca和巴塞罗那科学技术学院Jens Lüders发表了背靠背文章CDK5RAP2 activates microtubule nucleator γTuRC by facilitating template formation and actin release。

模式图（Credit: Developmental Cell）

参考文献

1. Ahmad FJ, Joshi HC, Centonze VE, Baas PW. Inhibition of microtubule nucleation at the neuronal centrosome compromises axon growth. Neuron. 1994;12: 271–280.2. Hutchins JRA, Toyoda Y, Hegemann B, Poser I, Hériché J-K, Sykora MM, et al. Systematic Localization and Purification of Human Protein Complexes Identifies Chromosome Segregation Proteins. Science. 2010; 1181348.3. Scheidecker S, Etard C, Haren L, Stoetzel C, Hull S, Arno G, et al. Mutations in TUBGCP4 alter microtubule organization via the γ-tubulin ring complex in autosomal-recessive microcephaly with chorioretinopathy. Am J Hum Genet. 2015;96: 666–674.4. Wieczorek M, Urnavicius L, Ti S-C, Molloy KR, Chait BT, Kapoor TM. Asymmetric Molecular Architecture of the Human γ-Tubulin Ring Complex. Cell. 2020;180: 165–175.e16.5. Consolati T, Locke J, Roostalu J, Chen ZA, Gannon J, Asthana J, et al. Microtubule Nucleation Properties of Single Human γTuRCs Explained by Their Cryo-EM Structure. Dev Cell. 2020;53: 603–617.e8.6. Liu P, Zupa E, Neuner A, Böhler A, Loerke J, Flemming D, et al. Insights into the assembly and activation of the microtubule nucleator γ-TuRC. Nature. 2019;578: 467–471.7. Zimmermann F, Serna M, Ezquerra A, Fernandez-Leiro R, Llorca O, Luders J. Assembly of the asymmetric human γ-tubulin ring complex by RUVBL1-RUVBL2 AAA ATPase. Science Advances. 20208. Wieczorek M, Ti S-C, Urnavicius L, Molloy KR, Aher A, Chait BT, et al. Biochemical reconstitutions reveal principles of human γ-TuRC assembly and function. J Cell Biol. 2021;220.9. Würtz M, Zupa E, Atorino ES, Neuner A, Böhler A, Rahadian AS, et al. Modular assembly of the principal microtubule nucleator γ-TuRC. Nat Commun. 2022;13: 473.10. Fong K-W, Choi Y-K, Rattner JB, Qi RZ. CDK5RAP2 is a pericentriolar protein that functions in centrosomal attachment of the gamma-tubulin ring complex. Mol Biol Cell. 2008;19: 115–125.11. Choi Y-K, Liu P, Sze SK, Dai C, Qi RZ. CDK5RAP2 stimulates microtubule nucleation by the gamma-tubulin ring complex. J Cell Biol. 2010;191: 1089–1095.12. Yang S, Au FKC, Li G, Lin J, Li XD, Qi RZ. Autoinhibitory mechanism controls binding of centrosomin motif 1 to γ-tubulin ring complex. J Cell Biol. 2023;222.13. Wieczorek M, Huang T-L, Urnavicius L, Hsia K-C, Kapoor TM. MZT Proteins Form Multi-Faceted Structural Modules in the γ-Tubulin Ring Complex. Cell Rep. 2020;31: 107791.

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.09.002

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.09.001

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

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