北京大学物理学院/定量生物学中心/生命联合中心欧阳颀院士课题组、毛有东课题组与其合作者利用冷冻电子显微镜技术解析了人源蛋白酶体26S全酶的三个亚稳简并态高分辨结构，在同一样品中得到了蛋白酶体核心颗粒（Core Particle，简称CP）底物转运通道的关闭和开放两种状态的近原子分辨的三维动态结构。该研究工作首次观察到26S马达模块的底物转运通道在CP开放条件下的自发构象涨落现象，为蛋白酶体CP门控开关活化机理和调控颗粒亚复合体（Regulatory Particle）底物转运通道的动力学机制提供了重要的结构基础。该研究工作以“Structural mechanism of nucleotide-driven remodeling of the AAA-ATPase unfoldase in the activated human 26S proteasome” 为题于2018年4月10日正式发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。
蛋白酶体是细胞中用来调控特定蛋白质的浓度和清除错误折叠蛋白质的主要机制的核心组成部分，是细胞中最普遍的不可或缺的大型全酶超分子复合机器之一，也是迄今为止发现的最大的蛋白降解机器。人源蛋白酶体全酶包含至少64个亚基，由盖子 (Lid)和基座(Base)亚复合体组成的调控颗粒RP(Regulatory Particle)所激活。2016年，该课题组与其合作者在《美国科学院院刊》报道了人源蛋白酶体的基态近原子分辨的冷冻电镜结构，以及三个亚纳米分辨的RP-CP亚复合体亚稳或过渡态的共存结构，并首次发现其中一个亚稳态构象的CP的底物转运通道处于开放状态（见PNAS 2016, 113: 12991-12996）。这一发现被德国马普所Baumeister课题组及其合作者在2017年的一篇《美国科学院院刊》论文中通过酵母蛋白酶体全酶的冷冻电镜亚纳米精度分析进一步证实、引用和比较（见PNAS 2017, 114, 1305-1310）。然而，在这些工作中，CP开放态的全酶结构离近原子分辨还有较大距离，未能充分揭示人源蛋白酶体全酶的激活后的运动行为。欧阳颀、毛有东课题组及其合作者在前期工作的基础上，利用他们自主开发的基于统计流行算法的高性能计算软件ROME（见PLoS ONE 2017, 12:e0182130）与优化的冷冻电镜处理方法，对ATP-γS结合状态下的人源蛋白酶体的全酶冷冻电镜单颗粒数据展开了深入分析，得到了6个共存的动态结构，其中包括3.6埃分辨率的基态结构，3.5埃的开放态CP结构，和三个CP开放态对应的亚稳简并态全酶4.2埃，4.3埃和4.9埃的结构。另外两个中间态结构分辨率为7.0埃和5.8埃。三个CP开放态对应的全酶结构的主要差别在于位于RP的AAA-ATPase激酶马达模块，伴随其不同的构象变化，至少有四个ATP-γS分子稳定结合在不同的AAA-ATPase亚基上，为其在不同核酸结合状态下形成的非稳定动态构象提供了重要证据。该研究首次观察到位于AAA-ATPase激酶马达模块中心的底物转运通道呈现从螺旋到鞍形不同的拓扑结构变化，为进一步分析底物和蛋白酶体全酶的相互作用奠定了重要基础。
图1. 人源蛋白酶体全酶AAA-ATPase马达模块中心的底物转运通道发生大幅度的拓扑变构
北京大学定量生物学中心博士生朱亚南和访问学者王伟立博士为共同第一作者。北京大学物理学院/定量生物学中心毛有东与哈佛医学院助理教授吕莹为共同通讯作者。这一工作得到了国家基金委、北大清华联合生命中心、学校985计划、介观物理国家重点实验室和Intel并行计算研究基金和美国国家健康研究院的资助。
论文在线链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-03785-w
相关系列论文链接：
http://www.pnas.org/content/113/46/12991.long
http://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(17)30409-4
http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0182130
