2025年1月23日，复旦大学生命科学学院市川宗严(ICHIKAWA Muneyoshi)团队在JACS Au发表了题目为“Optical Control of Microtubule Accumulation and Dispersion by Tau-Derived Peptide-Fused Photoresponsive Protein”的文章，报道了利用蛋白质设计人工构建的TP-Dronpa蛋白实现对微管超结构聚集和分散的光动态调控。
微管作为真核生物细胞骨架的重要成分，通过聚集形成各种超微结构（如微管束和双联体）来维持细胞形状以及参与神经细胞轴突和树突的形成；同时也为马达蛋白参与货物运输和鞭毛/纤毛的摆动提供支架。微管聚集结构如微管束对于动态材料活性物质和分子机器人的研发有重要的应用前景。因此如何人工控制微管超结构的动态调控是一个重要的研究课题。团队此前从微管结合蛋白Tau蛋白中开发了一种可与微管内表面结合的Tau衍生肽（TP），与带正电的组氨酸标签一同与四聚体绿色荧光蛋白Azami-Green（AG）融合，构建了能同时结合微管内表面和外表面的TP-AG蛋白，并在体外成功诱导了双联体微管、微管束、星体微管以及微管分支结构等多种微管超结构的形成。在此基础上，团队进一步利用可光控聚集状态的四聚体绿色荧光蛋白Dronpa替换AG，以期实现对微管超结构的人工光动态调控。
首先，团队设计构建了TP -Dronpa蛋白并对其与微管的结合进行分析。在405nm波长或505nm波长光照下，TP -Dronpa分别实现从不发荧光的单体到具有绿色荧光的四聚体、以及从四聚体到单体的转换。UV-vis光谱和凝胶过滤层析结果均验证了TP-Dronpa的聚合状态（单体或四聚体）的可人为光调控，并在负染电镜下观察到了光控提纯的单体和四聚体。共聚焦激光扫描显微镜与负染电镜的结果显示四聚体TP-Dronpa可与微管以及微管蛋白结合。
图: 通过TP-Dronpa对微管超结构的光调控
为了探究TP-Dronpa对微管结构的影响，对四聚体和单体进行运动性实验（motility assay）。在驱动蛋白组成的基底上孵育微管和TP-Dronpa，加入ATP促使驱动蛋白运动。共聚焦激光扫描显微镜结果显示，四聚体诱导微管形成厚实的束状结构，时间序列图像显示在加入ATP后微管束转变为星体状结构；而单体并不形成微管束，在加入ATP后也不发生明显变化。实验结果显示TP-Dronpa诱导微管聚集。冷冻电镜结果进一步证实四聚体TP-Dronpa体外诱导微管超结构如微管束和双联体微管的形成。
接下来团队对TP-Dronpa诱导微管超结构的可光控性进行实验验证。光控的原理是TP-Dronpa四聚体和单体之间的互相转变。共聚焦激光扫描显微镜的结果显示，四聚体TP-Dronpa诱导产生的微管束在505nm光照条件下转变为分散的微管；而与单体TP-Dronpa孵育的分散微管在405nm光照条件下聚集形成微管束。
团队进一步研究了光控TP-Dronpa对微管集群运动的影响。在添加甲基纤维素的条件下，对TP-Dronpa微管复合物进行运动性实验。荧光显微镜图像结果显示四聚体TP-Dronpa促使微管聚集和集群运动，时间序列图像显示当与单体孵育的微管-驱动蛋白基底系统用405nm激光照射后，微管开始聚集并产生集群运动，实现了微管聚集和集群运动的光调控。
综上所述，TP-Dronpa蛋白可诱导体外形成微管超结构，并实现对微管聚集和分散的光调控。这种光控方法不需要对微管蛋白进行修饰，并且具有可逆性。该方法可以通过荧光图像实现微管聚集和分散的追踪，同时，该基于蛋白的微管聚集/分散系统可用于模拟形成微管超结构的天然系统。
复旦大学生命科学学院市川宗严(ICHIKAWA Muneyoshi)青年研究员作为共同通讯作者，课题组的硕士研究生吕倩茹参与了本研究。合作单位有鸟取大学、上海科技大学以及京都大学。本研究得到了上海市“科技创新行动计划”自然科学基金的资助。