期刊：Science

DOI：10.1126/science.ady2708

前言

微管是真核细胞骨架的关键组成部分，对细胞分裂、细胞内物质运输及细胞形态维持至关重要。

微管蛋白由 αβ-微管蛋白异二聚体构成，其组装与解聚过程依赖于一类称为微管蛋白结合辅助因子（TBCs）的伴侣蛋白，包括 TBCA、TBCB、TBCC、TBCD、TBCE；此外，小GTP酶Arl2也参与调控该过程。

尽管这一过程对于维持细胞骨架稳态至关重要，其原子水平的结构机制长期以来尚不明确。

2025年10月30日，首尔国立大学Soung-Hun Roh团队通过冷冻电镜解析了六种微管蛋白结合辅助因子（TBCs）的高分辨率结构（2.1-2.5 Å），首次从结构层面揭示了TBCs与Arl2作为分子开关与GTP酶调控中心，共同介导αβ-微管蛋白异源二聚体“解聚-组装”双向调控的分子机制。

αβ-微管蛋白异二聚体组装-拆卸循环示意图

该研究以“Structural dissection of αβ-tubulin heterodimer assembly and disassembly by human tubulin-specific chaperones”为题发表在《Science》上。

研究内容

复合物重构与结构解析

研究团队从哺乳动物细胞中纯化了人源TBCDE–Arl2复合物及TBCC，并在大肠杆菌中表达TBCA和TBCB。在特定GTP条件下，将上述组分与αβ-微管蛋白重组，成功获得六个结构状态的高分辨率冷冻电镜结构（分辨率为2.1–2.5 Å）。

图1. TBC-微管蛋白复合物的6种结构状态重构

六种结构状态（State I–VI）

▶ 无GTP的解聚状态

在无GTP条件下，复合物处于State I（TBCD–Arl2–β-微管蛋白）和State II（TBCDE–Arl2–β-微管蛋白）。此时α-微管蛋白完全解离，仅β-微管蛋白被解析，其通过静电互补作用被稳定。

图2. TBC复合物分解微管蛋白异二聚体并稳定β-微管蛋白单体

▶ GTP触发组装启动

加入GTP 后，Arl2 在State III（TBCDE-Arl2GTP-β-微管蛋白）中发生显著构象变化，使TBCD 的AD2 结构域位移，解除对α-微管蛋白结合的空间位阻，进而形成State IV（TBCDE-Arl2GTP-αβ-微管蛋白）。此时 α-微管蛋白可被解析，表明异二聚体进入部分组装状态。

图3. GTP诱导的TBCs构象变化启动αβ-微管蛋白异源二聚体组装

▶ 异源二聚体组装完成

研究进一步利用GTP-AlFx模拟GTP水解后状态，发现TBCC通过两个结构域分步发挥作用：在State V中，其调控结构域（RPD）结合Arl2的GTP结合位点，辅助其GTP酶活性；在State VI中，TBCC的卷曲螺旋结构域（CCD）作为“分子夹子”桥连α/β-微管蛋白，同时促使TBCE解离，使异源二聚体形成天然界面，完成组装。

图4. TBCC 介导异二聚体组装完成

▶ TBCD：β-微管蛋白的GAP

结构分析还揭示了TBCD作为β-微管蛋白的GTP酶激活蛋白（GAP）的关键功能。β-微管蛋白的GTP水解与Arl2的GTP酶活性相耦合，形成“双重质控检查点”，确保仅释放完全组装成熟的异二聚体。

图5. TBCD作为β-微管蛋白的GAP发挥作用

总结

本研究通过高分辨率冷冻电镜结构解析，首次系统揭示了TBCs与Arl2在αβ-微管蛋白异二聚体组装与解聚过程中的分子机制：Arl2通过其GTP结合状态作为分子开关，驱动TBCs发生构象变化，从而实现“无GTP时解聚、有GTP时组装”的动态调控；Arl2与β-微管蛋白的协同GTP水解活性构成了严格的质量控制机制，确保微管蛋白稳态的精确调节。

图6. TBCs在微管蛋白折叠、组装、回收和质量控制中的作用

这项工作修正了此前对 TBCs 功能的单一认知，将其角色从传统的组装辅助因子提升为微管蛋白稳态的核心调控者，为理解微管蛋白质量控制、细胞骨架稳态维持 及相关疾病（如神经退行性疾病、癌症）提供了结构基础。