大学公园，宾夕法尼亚州神经元负责产生信号，最终触发说话或肌肉运动等动作，神经元是由一类运动蛋白构建和维持的，这些运动蛋白沿着被称为微管的细长轨道运输分子货物。宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组发现了两组主要的运动蛋白如何在细胞体和神经元突触之间以相反的方向竞争运输货物。

通过单分子荧光显微镜和计算建模，该小组研究了在货物运输过程中，三种类型的运动蛋白(称为运动蛋白)如何与另一种类型的运动蛋白(动力蛋白)结合。他们的发现发表在eLife上，可以帮助科学家更好地理解正常的货物运输过程，并在未来的工作中，告诉人们在神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)的情况下，它是如何被破坏的。

宾夕法尼亚州立大学生物医学工程(BME)教授、通讯作者威廉·汉考克(William Hancock)说:“驱动蛋白和动力蛋白沿着比一根头发小1000多倍的微管移动。”“由于微管的结构极性，驱动蛋白马达与货物结合并将其拉向一个方向，将其带到突触，而动力蛋白结合并朝相反方向移动，回到神经元的细胞体。当两个电机同时绑定到货物负载时，两个电机之间的竞争随之而来，每个电机的表现决定了货物将以多快的速度和方向行驶。”

大约有十几种不同类型的运输动力蛋白，分为三个家族，而只有一种类型的运输动力蛋白。研究人员从三个家族中各取了一个驱动蛋白马达，并将其与动力蛋白联系起来。使用单分子荧光显微镜——科学家们使用高倍相机和镜头观察单个荧光标记的蛋白质和DNA分子——他们观察了蛋白质如何沿着微管移动。

汉考克说:“每一台驱动蛋白发动机就像路上的一辆不同类型的汽车:一辆是赛车，一辆是SUV，一辆是卡车。”“一些驱动蛋白马达移动短距离，一些移动长距离，一些移动得更快，一些移动得更慢。由于这些马达在隔离状态下的表现如此不同，当我们将它们与动力蛋白连接在一起时，我们对发现的结果感到惊讶。”

尽管存在明显的差异，但研究人员发现，这三种类型的驱动蛋白在对抗动力蛋白时表现相当:它们都有效地抵抗了动力蛋白的阻碍负载。

为了更好地理解潜在的机制，研究人员利用他们的实验结果开发了一个计算模型，该模型表明三种驱动蛋白类型使用不同的方法来与动力蛋白竞争。 

驱动蛋白-1马达稳定地拉动动力蛋白，相对很少从微管轨道分离，但需要一些时间附着回来。当牵拉动力蛋白时，Kinesin-3马达很容易分离，但很快就会重新连接到微管轨道上，只需一毫秒就能重新开始运动。驱动蛋白-2马达表现了驱动蛋白-1和-3的行为组合。

实验结果表明，驱动蛋白的力学性能并不是决定货物运输方向和速度的主要因素;还有其他因素在起作用。

汉考克说:“驱动蛋白-3马达在一毫秒内重新附着在轨道上的发现是惊人的，我们想要确认和理解这种快速重新附着背后的生物物理机制。”“我们还计划研究连接蛋白质马达和货物的适配器分子的调节，以及货物的机械刚度，看看这些因素是否起作用。”

为了做到这一点，研究人员将把马达与DNA片段越来越长的蛋白质连接起来，让它们承受不同的机械负荷，同时在显微镜下分析它们的运动。

了解细胞内运输系统及其对突变的脆弱性，可以帮助科学家在阿尔茨海默病、亨廷顿病和卢伽雷氏病等神经退行性疾病的研究中取得进展。

汉考克说:“很明显，细胞内运输缺陷是神经退行性疾病的重要方面，但潜在的机制以及运输缺陷如何导致病理尚不清楚。”“有了这些对驱动蛋白运动机制的新见解，我们希望解释突变如何影响其运输能力，从而损害神经元健康。”

除了汉考克，宾夕法尼亚州立大学附属的共同作者还包括前BME博士后学者Allison M. gking，现任BME博士生Ma zu- chen，前哈克生命科学研究所分子、细胞和综合生物科学博士生Qingzhou Feng和哈克生命科学研究所综合和生物医学生理学博士生Rui Jiang。来自密歇根大学安娜堡分校的Somayesadat Badieyan和Michael A Cianfrocco也做出了贡献。

美国国立卫生研究院支持这项工作。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。