2月2日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications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）叢堯研究組與國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施質(zhì)譜系統(tǒng)彭超博士的合作研究論文“Cryo-EM of mammalian PA28αβ-iCP immunoproteasome reveals a distinct mechanism of proteasome activation by PA28αβ”。該研究首次解析了哺乳動物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶體的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了激活因子PA28αβ結(jié)合并激活免疫蛋白酶體的獨特分子機制，為深入理解免疫蛋白酶體的底物降解機制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
真核細胞中的蛋白質(zhì)降解超大分子機器–蛋白酶體，參與調(diào)控諸多的生物進程，其功能異常與癌癥、神經(jīng)退行性疾病、免疫疾病等密切相關(guān)。免疫蛋白酶體是能夠調(diào)控炎癥因子、參與MHC-I抗原提呈路徑的一類特殊蛋白酶體。已經(jīng)在包括惡性腫瘤，自身免疫和炎性疾病在內(nèi)的多種疾病中檢測到免疫蛋白酶體的過表達。執(zhí)行底物降解的蛋白酶體核心顆粒（CP）的活性受到可結(jié)合在其末端的一系列激活因子的調(diào)控。激活因子PA28αβ通過與免疫蛋白酶體核心顆粒（iCP）的結(jié)合，來調(diào)節(jié)可能產(chǎn)生的抗原肽的模式，在MHC-I類抗原呈遞中起重要作用。然而，由于PA28αβ-iCP復(fù)合體的動態(tài)性及易解離性等，至今尚無哺乳動物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶體的完整結(jié)構(gòu)。因此，PA28αβ如何激活免疫蛋白酶體進而調(diào)控底物降解的分子機制亟待闡明。
研究人員首次解析了哺乳動物PA28αβ-iCP及iCP免疫蛋白酶體的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖A）。結(jié)合交聯(lián)質(zhì)譜分析，揭示了PA28αβ與iCP的相對空間排布（圖B）。PA28αβ-iCP結(jié)構(gòu)顯示PA28αβ稍微向iCP環(huán)的α3-α4亞基一側(cè)傾斜，干擾了關(guān)鍵門控亞基α2/3/4的變構(gòu)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致iCP門控的部分打開。發(fā)現(xiàn)異源七聚體PA28αβ對iCP的結(jié)合和激活機制與同源七聚體TbPA26及PfPA28，或19S對CP的結(jié)合和激活機制相關(guān)但不同。這表明蛋白酶體核心顆粒已經(jīng)進化到足夠復(fù)雜，可以使用同一套變構(gòu)網(wǎng)絡(luò)從多種激活因子中獲取并協(xié)調(diào)各種降解信號，精準(zhǔn)調(diào)控蛋白酶體降解的底物及產(chǎn)物類型，進而參與各種復(fù)雜的生理過程。研究人員提出，非ATP依賴的激活因子PA28αβ可能通過與iCP結(jié)合/解離的模式（on-and-off mode）來調(diào)節(jié)iCP門控的打開和關(guān)閉以及底物降解，該機制也可能被其它非ATP依賴的蛋白酶體激活因子采用。因此，在進化過程中，激活因子的生理功能及底物的復(fù)雜性決定了蛋白酶體激活因子的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和CP的門控調(diào)控機制。此外，還發(fā)現(xiàn)在免疫催化亞基和普通催化亞之間的保守差異，有助于闡明普通蛋白酶體與免疫蛋白酶體的酶活差異，為發(fā)展免疫特異性抑制劑提供分子基礎(chǔ)。
該研究首次解析了哺乳動物PA28αβ-iCP的完整結(jié)構(gòu)，揭示了PA28αβ激活免疫蛋白酶體的分子機制，為深入理解PA28αβ調(diào)控免疫蛋白酶體底物降解機制及發(fā)展免疫蛋白酶體抑制劑提供了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
叢堯組陳進寰博士、博士研究生汪一帆、徐聰為本文共同第一作者。分子細胞卓越中心叢堯研究員、博士后丁占玉，及國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施質(zhì)譜系統(tǒng)彭超博士為本文共同通訊作者。該研究獲國家基金委、科技部、中科院和上海市科委等的經(jīng)費支持，并得到國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施的冷凍電鏡系統(tǒng)、質(zhì)譜系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫與計算分析系統(tǒng)及蛋白質(zhì)表達純化系統(tǒng)的大力支持。
?。ˋ）免疫蛋白酶體PA28αβ-iCP及iCP的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，PA28αβ即可以結(jié)合在iCP的一端，也可以兩端同時結(jié)合；（B）PA28αβ與iCP的相對空間排布；（C）PA28αβ-iCP復(fù)合體中PA28αβ與iCP的相互作用界面，其中插入iCP環(huán)的PA28αβ的C末端尾巴由青色密度表示；（D）PA28αβ結(jié)合并激活iCP的分子機制示意圖。
