9月7日，國際知名學(xué)術(shù)期刊Proc Natl Acad Sci USA 在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所）國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）叢堯研究組的研究論文“An ensemble of cryo-EM structures of TRiC reveal its conformational landscape and subunit specificity”。該研究應(yīng)用冷凍電鏡技術(shù)結(jié)合生化和功能分析，首次捕捉到真核生物分子伴侶素TRiC（又稱CCT）逐步關(guān)環(huán)的完整構(gòu)象變化空間，揭示了TRiC各亞基在ATP消耗和關(guān)環(huán)過程中的特異性（specificity）機制，為深入理解TRiC協(xié)助其底物正確折疊的機制奠定了理論基礎(chǔ)。

 

        細胞中蛋白質(zhì)的正確折疊對其發(fā)揮正常的生物學(xué)功能、維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)具有重要作用。真核生物II型分子伴侶素TRiC由寡聚雙環(huán)背對背堆疊而成，每個環(huán)由8個同源亞基組成。TRiC在ATP驅(qū)動下發(fā)生動態(tài)構(gòu)象變化，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，進而協(xié)助～10％的胞質(zhì)蛋白正確折疊。其底物包括許多重要的結(jié)構(gòu)性和調(diào)節(jié)性蛋白，如肌動蛋白actin和微管蛋白tubulin；與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)的蛋白，如腫瘤抑制蛋白VHL和p53，及原致癌蛋白STAT3；以及細胞周期調(diào)節(jié)蛋白CDC20等。TRiC對維持胞內(nèi)蛋白質(zhì)的動態(tài)平衡進而調(diào)控細胞的生命過程至關(guān)重要，其功能的改變或缺失與癌癥及神經(jīng)退行性疾病等密切相關(guān)。因此，探索TRiC在ATP驅(qū)動下的完整構(gòu)象變化過程和機制，以及各亞基功能特異性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有利于闡明其底物識別及折疊的分子機制，并為揭示TRiC與上述人類疾病之間的關(guān)系提供理論基礎(chǔ)。

 

        叢堯研究組長期致力于TRiC及蛋白酶體等大分子機器的動態(tài)結(jié)構(gòu)與功能研究，揭示了TRiC的階段性ATP結(jié)合機制（NSMB, 2016; EMBO J, 2012），蛋白酶體的激活機制及其在泛素鏈誘導(dǎo)下的變構(gòu)及底物識別機制等（Cell Res, 2017; Mol Cell, 2019）。在此基礎(chǔ)上，這項研究通過解析TRiC在不同核苷酸（nucleotide）狀態(tài)及濃度下的一系列高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次揭示了TRiC逐步關(guān)環(huán)的完整構(gòu)象變化空間和過程機制。其中雙環(huán)關(guān)閉結(jié)構(gòu)達到原子分辨率水平，闡明了之前未見報道的諸多亞基N末端結(jié)構(gòu)及其參與TRiC雙環(huán)協(xié)同變構(gòu)的機制。結(jié)合生化及功能實驗，研究人員系統(tǒng)地揭示了在ATP消耗及變構(gòu)過程中TRiC各亞基的特異性：ATP結(jié)合后CCT7亞基首先發(fā)生構(gòu)象變化，CCT4亞基最后結(jié)合ATP成為該復(fù)合體關(guān)環(huán)的限速步驟，CCT8亞基始終與ADP結(jié)合幾乎不參與ATP循環(huán)。研究闡明了各亞基消耗ATP及變構(gòu)是按特定的時空順序分階段進行的，同時發(fā)現(xiàn)與I型分子伴侶素不同，TRiC在上述過程中雙環(huán)表現(xiàn)為正向協(xié)同性（Positive Cooperativity），結(jié)束了長期以來的爭議。

 

        綜上所述，該研究首次捕捉到TRiC逐步關(guān)環(huán)的完整構(gòu)象變化空間，揭示了TRiC各個亞基在ATP消耗和關(guān)環(huán)過程中的特異性及其結(jié)構(gòu)機制，有助于進一步理解TRiC各亞基在其復(fù)合體組裝、底物識別和折疊過程中表現(xiàn)出的功能特異性；同時揭示了TRiC的雙環(huán)在ATP消耗、輔助伴侶PFD結(jié)合和關(guān)環(huán)過程中表現(xiàn)出正向協(xié)同性，這有利于TRiC對其底物的高效折疊，加深了人們對TRiC高度協(xié)同性的認(rèn)識。以上研究有助于人們理解TRiC協(xié)助下的蛋白質(zhì)折疊機制，并為相關(guān)疾病的診療提供新思路和靶標(biāo)。

 

        生化與細胞所博士生金明梁為本文第一作者，叢堯研究員為通訊作者。感謝生化與細胞所周金秋究員、周兆才研究員、李典范研究員等的大力支持。該研究得到張江實驗室國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施冷凍電鏡系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫與計算分析系統(tǒng)、核磁系統(tǒng)、小角散射線站與規(guī)?；鞍踪|(zhì)制備系統(tǒng)的大力支持。該研究獲國家自然科學(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（B類）等資助。

 

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