2月18日，國際知名學(xué)術(shù)期刊Molecular Cell在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）叢堯研究組的最新研究成果“Structural snapshots of 26S proteasome reveal tetraubiquitin-induced conformations”。該研究解析了一系列蛋白酶體在K48-Ub4泛素鏈存在下的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次捕捉到蛋白酶體與K48-Ub4泛素鏈結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)，揭示了泛素鏈在調(diào)節(jié)蛋白酶體識(shí)別泛素化底物進(jìn)而引發(fā)底物降解的分子機(jī)制，為最終闡明生理?xiàng)l件下蛋白酶體降解泛素化底物機(jī)制提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system）參與調(diào)控真核細(xì)胞內(nèi)眾多的生物進(jìn)程。其功能的異常與癌癥、神經(jīng)退行性疾病、自身免疫病等人類重大疾病密切相關(guān)。26S蛋白酶體通過降解泛素化底物來調(diào)節(jié)真核細(xì)胞的蛋白質(zhì)組。長度為4個(gè)及以上的Lys48 (K48) 連接的泛素鏈?zhǔn)巧項(xiàng)l件下蛋白酶體的主要靶向信號(hào)。因此，解析K48連接的多泛素鏈與蛋白酶體結(jié)合形成復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)，將為深入理解泛素鏈結(jié)合引起蛋白酶體構(gòu)象變化進(jìn)而引發(fā)底物降解的分子機(jī)制提供關(guān)鍵信息。然而，由于蛋白酶體存在泛素鏈的多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)以及蛋白酶體自身的動(dòng)態(tài)特性，給捕獲初始階段蛋白酶體識(shí)別并結(jié)合多聚泛素鏈的狀態(tài)帶來極大挑戰(zhàn)，由泛素鏈結(jié)合引發(fā)的蛋白酶體底物降解的分子機(jī)制亟待闡明。
叢堯研究組依托國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）的先進(jìn)冷凍電鏡設(shè)施，解析了一系列K48-Ub4泛素鏈引發(fā)的蛋白酶體新構(gòu)象的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，其中三個(gè)結(jié)構(gòu)達(dá)到近原子分辨率；定義了一個(gè)新的泛素接受狀態(tài)（Ub-accepted state）C1-b，觀測(cè)到由泛素鏈結(jié)合而起始的蛋白酶體從靜息態(tài)向激活態(tài)的轉(zhuǎn)變；首次捕捉到完整蛋白酶體與K48-Ub4結(jié)合的構(gòu)象C3-b，揭示了K48-Ub4泛素鏈結(jié)合在蛋白酶體Rpn1亞基的整個(gè)PC環(huán)形區(qū)域（PC toroid region），這與單泛素或泛素樣蛋白（UBL）的結(jié)合模式顯著不同，定義C3-b為底物處理狀態(tài)（substrate-processing state）。功能研究顯示K48-Ub4與具有泛素樣結(jié)構(gòu)域的shuttle泛素受體Rad23及去泛素化酶Ubp6可同時(shí)占據(jù)Rpn1，揭示了新的泛素傳遞機(jī)制。此外，研究闡明了19S調(diào)節(jié)顆粒識(shí)別并結(jié)合泛素鏈，引發(fā)的變構(gòu)通過Rpn6-a2亞基傳遞到20S核心顆粒，最終打開門控的遠(yuǎn)程調(diào)控機(jī)制。綜上，該研究揭示了K48-Ub4泛素鏈結(jié)合對(duì)于蛋白酶體的變構(gòu)調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)了泛素鏈與完整蛋白酶體獨(dú)特的結(jié)合模式，并提出了新的泛素傳遞機(jī)制，進(jìn)而揭示了泛素鏈結(jié)合在引發(fā)蛋白酶體底物降解過程中的調(diào)節(jié)機(jī)制，并為探索蛋白酶體降解泛素化底物缺陷而引起疾病的診療手段提供理論基礎(chǔ)。
叢堯組博士后丁占玉為本文第一作者，叢堯研究員為通訊作者。參與該工作的還有以色列Technion-Israel Institute of Technology的Michael H. Glickman教授團(tuán)隊(duì)，以及國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）的黃超蘭教授（現(xiàn)在北京大學(xué)）團(tuán)隊(duì)。該研究得到了生化與細(xì)胞所張榮光、周兆才、周金秋研究員的大力支持。該研究還得到國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）冷凍電鏡系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫與計(jì)算分析系統(tǒng)、X射線小角散射線站、質(zhì)譜系統(tǒng)、規(guī)?；鞍踪|(zhì)制備系統(tǒng)的設(shè)備支持。研究得到國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）和上海市科委等的資助。
