劉鳴華

國家納米科學(xué)中心，北京 100190

利用冷凍電鏡解析的七個(gè)底物結(jié)合的人源26S蛋白酶體精細(xì)原子結(jié)構(gòu),揭示了從泛素識(shí)別、去泛素化反應(yīng)、轉(zhuǎn)運(yùn)啟動(dòng)和持續(xù)降解的核心功能動(dòng)態(tài)過程。

泛素-蛋白酶體體系(Ubiquitin-Proteasome System，簡(jiǎn)稱UPS)是細(xì)胞內(nèi)最重要的蛋白質(zhì)降解通路，對(duì)維持生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的濃度平衡，以及對(duì)調(diào)控蛋白、錯(cuò)誤折疊或受到損傷的蛋白的快速降解起著至關(guān)重要的作用，參與了細(xì)胞周期、基因表達(dá)調(diào)控等多種細(xì)胞進(jìn)程，由UPS失常引發(fā)的蛋白質(zhì)新陳代謝異常與眾多人類重大疾病直接相關(guān)1-5。人源蛋白酶體全酶包含至少33種不同的亞基，總分子量約為2.5 MDa。盡管很多工作揭示了蛋白酶體的基本架構(gòu)和運(yùn)動(dòng)行為6-8，但蛋白酶體與底物之間的相互作用從未得到直接的觀測(cè)，因此蛋白酶體如何作用于底物的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程仍然是理解蛋白酶體生化功能的核心問題。

近日，北京大學(xué)物理學(xué)院人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、前沿交叉學(xué)院定量生物學(xué)中心毛有東課題組通過冷凍電子顯微鏡技術(shù)，解析了人源蛋白酶體26S在降解底物過程中的七種化學(xué)反應(yīng)中間態(tài)構(gòu)象的高分辨(2.8-3.6 ?) (1 ? =0.1 nm)精細(xì)原子結(jié)構(gòu)。該課題組利用ATPγS降低AAA-ATPase酶水解活性的特點(diǎn)，在底物降解的中間過程，通過將ATP快速置換成ATPγS，捕捉到蛋白酶體在底物降解過程的反應(yīng)中間態(tài)。同時(shí)，他們將機(jī)器學(xué)習(xí)的方法應(yīng)用到了冷凍電鏡圖像聚類中，并針對(duì)蛋白酶體的動(dòng)力學(xué)特征，整合了多種算法，設(shè)計(jì)了一套有效的多構(gòu)象分類流程。通過這兩套技術(shù)方案的整合，課題組成功解析了人源蛋白酶體在降解底物過程中的蛋白酶體-底物復(fù)合體的七種天然中間態(tài)構(gòu)象，在全原子水平展示了蛋白酶體從泛素結(jié)合到去泛素化，再到底物轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)過程。

該研究工作近期在Nature上以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表9。該工作系統(tǒng)呈現(xiàn)了在原子水平蛋白酶體如何與被降解蛋白底物分子相互作用的動(dòng)態(tài)過程，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)AAA-ATPase六聚馬達(dá)分子內(nèi)ATP水解全周步進(jìn)循環(huán)的完整過程的三維原子水平觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)三種不同的ATP水解協(xié)同反應(yīng)模式，并解釋了AAA-ATPase將ATP水解化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)蛋白底物去折疊的基本物理化學(xué)過程，對(duì)于理解生物體內(nèi)蛋白質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)過程和一系列負(fù)責(zé)物質(zhì)輸運(yùn)的ATPase分子馬達(dá)的一般工作原理具有重要的價(jià)值。