人源蛋白酶體底物降解動力學的高分辨三維冷凍電子成像

劉鳴華

國家納米科學中心，北京 100190

利用冷凍電鏡解析的七個底物結合的人源26S蛋白酶體精細原子結構,揭示了從泛素識別、去泛素化反應、轉運啟動和持續降解的核心功能動態過程。

泛素-蛋白酶體體系(Ubiquitin-Proteasome System，簡稱UPS)是細胞內最重要的蛋白質降解通路，對維持生物體內蛋白質的濃度平衡，以及對調控蛋白、錯誤折疊或受到損傷的蛋白的快速降解起著至關重要的作用，參與了細胞周期、基因表達調控等多種細胞進程，由UPS失常引發的蛋白質新陳代謝異常與眾多人類重大疾病直接相關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和運動行為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，因此蛋白酶體如何作用于底物的復雜動力學過程仍然是理解蛋白酶體生化功能的核心問題。

近日，北京大學物理學院人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、前沿交叉學院定量生物學中心毛有東課題組通過冷凍電子顯微鏡技術，解析了人源蛋白酶體26S在降解底物過程中的七種化學反應中間態構象的高分辨(2.8-3.6 ?) (1 ? =0.1 nm)精細原子結構。該課題組利用ATPγS降低AAA-ATPase酶水解活性的特點，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中間態。同時，他們將機器學習的方法應用到了冷凍電鏡圖像聚類中，并針對蛋白酶體的動力學特征，整合了多種算法，設計了一套有效的多構象分類流程。通過這兩套技術方案的整合，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-底物復合體的七種天然中間態構象，在全原子水平展示了蛋白酶體從泛素結合到去泛素化，再到底物轉運的動態過程。

該研究工作近期在Nature上以長文形式在線發表9。該工作系統呈現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態過程，首次實現了對AAA-ATPase六聚馬達分子內ATP水解全周步進循環的完整過程的三維原子水平觀測，發現三種不同的ATP水解協同反應模式，并解釋了AAA-ATPase將ATP水解化學能轉化為機械能實現蛋白底物去折疊的基本物理化學過程，對于理解生物體內蛋白質降解動力學過程和一系列負責物質輸運的ATPase分子馬達的一般工作原理具有重要的價值。