《自然》雜志在線發(fā)表了一篇北京大學(xué)研究團隊的最新論文。毛有東教授領(lǐng)銜的科研團隊，使用國際前沿的創(chuàng)新技術(shù)，大幅提升冷凍電鏡的時間分辨率分析精度，揭示了人源蛋白酶體（proteasome）的動力學(xué)調(diào)控機制。
研究團隊指出，作為影響細胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的生命分子機器，蛋白酶體是治療一系列重大疾病的藥物靶點，因此對其動力學(xué)調(diào)控和構(gòu)象變化實現(xiàn)精準觀察，有望推動新一輪藥物研發(fā)的重大創(chuàng)新。
在真核細胞（包括人類細胞）內(nèi)，泛素-蛋白酶體系是定向降解蛋白質(zhì)的一種主要方式。2004年，諾貝爾化學(xué)獎授予三位科學(xué)家，表彰他們對該泛素化蛋白質(zhì)降解機制的歷史性發(fā)現(xiàn)。在這一過程中，待降解的蛋白質(zhì)作為底物被打上“泛素”標記，進而被蛋白酶體識別；然后，蛋白酶體如同一臺蛋白質(zhì)粉碎機，將底物切割成碎片，實現(xiàn)精準降解。蛋白酶體功能紊亂，與癌癥、神經(jīng)退行性疾病、免疫疾病等一系列人類疾病有關(guān)。
圍繞蛋白酶體，毛有東教授實驗室在先前的一系列工作中，基于冷凍電鏡技術(shù)逐步揭示了其原子架構(gòu)、組裝原理和降解泛素化底物的動力學(xué)基本規(guī)律。蛋白酶體全酶又稱為26S proteasome，由中間一個圓柱形20S核心顆粒和兩端覆蓋的一個或兩個19S調(diào)節(jié)顆粒組成。19S包含一個環(huán)形異源六聚體馬達——AAA-ATPase，通過多個協(xié)同ATP水解模式調(diào)控蛋白酶體降解泛素化底物。
在正常細胞中，蛋白酶體的功能受到多個水平的嚴格調(diào)控。去泛素化酶USP14就是蛋白酶體的一個主要調(diào)控分子，它通過與蛋白酶體發(fā)生可逆的結(jié)合，切除底物上的泛素鏈。
然而，這一過程速度極快，蛋白酶體降解底物的時間尺度在毫秒到秒之間，因此要看清USP14如何被蛋白酶體激活并調(diào)控蛋白酶體功能，始終是個世 界 級的難題。
而這正是此次研究的突破所在：在原子水平上呈現(xiàn)了蛋白質(zhì)降解過程中USP14和蛋白酶體的構(gòu)象連續(xù)體。
▲ USP14調(diào)控下蛋白酶體復(fù)合體降解多泛素化底物的原子結(jié)構(gòu)模型之一 (A)， 時間分辨率冷凍電鏡解析13種中間態(tài)的統(tǒng)計分布隨蛋白質(zhì)降解進程的時間演化(B)（圖片來源：毛有東教授/CC BY 4.0）
為了用冷凍電鏡技術(shù)捕獲該過程的中間態(tài)結(jié)構(gòu)，研究團隊首先設(shè)法放慢了這個過程。通過大量的條件摸索，重建反應(yīng)動力學(xué)體系和優(yōu)化反應(yīng)條件，研究人員獲得了45000多張含時USP14-降解泛素底物過程中的冷凍電鏡透射圖樣，挑取了超過300萬個USP14-26S-泛素底物復(fù)合體的顆粒圖像。
接下來，更關(guān)鍵的一步是對如此大量的圖像進行分類，呈現(xiàn)出蛋白反應(yīng)的動態(tài)過程。為此，研究組借助人工智能，利用經(jīng)過數(shù)年自主開發(fā)的新型深度學(xué)習(xí)高精度三維分類和四維重建方法，捕獲了USP14-26S復(fù)合體降解多泛素化底物過程的13種不同功能中間狀態(tài)的高分辨率（3.0~3.6埃）非平衡構(gòu)象，重建出受控蛋白酶體的完整動力學(xué)工作周期。
▲通過時間分辨冷凍電鏡分析獲取的USP14調(diào)控蛋白酶體底物降解的并行路徑模型（圖片來源：毛有東教授/CC BY 4.0）
結(jié)合分子生物學(xué)功能和基因突變研究，這項研究工作最終闡明了USP14和26S蛋白酶體相互調(diào)控活性的原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和非平衡動力學(xué)機制。
研究發(fā)現(xiàn)，USP14的活化同時依賴于泛素識別和蛋白酶體RPT1亞基的結(jié)合。出人意料的是，USP14通過別構(gòu)效應(yīng)，誘導(dǎo)蛋白酶體同時沿著兩條并行狀態(tài)轉(zhuǎn)變路徑發(fā)生構(gòu)象變化。該研究成功捕獲到了底物降解中間狀態(tài)向底物抑制中間狀態(tài)的瞬時轉(zhuǎn)化，為USP14調(diào)節(jié)26S蛋白酶體的完整功能周期提供了全新的高分辨見解。
《自然》同期發(fā)表的評論文章中，審稿人對該研究有著很高的評價，指出“該工作是一項重大研究，終于在原子水平解決了USP14活化和其調(diào)控蛋白酶體功能的機制問題”。
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