研究揭示蛋白酶體在泛素鏈誘導下的變構及底物識別機制

中科院之聲2019-03-20 12:17:53

2月18日,國際學術期刊 Molecular Cell  在線發表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所國家蛋白質科學中心(上海)叢堯研究組的最新研究成果“Structural snapshots of 26S proteasome reveal tetraubiquitin-induced conformations”。該研究解析了一系列蛋白酶體在K48-Ub4泛素鏈存在下的近原子分辨率冷凍電鏡結構,首次捕捉到蛋白酶體與K48-Ub4泛素鏈結合的三維結構,揭示了泛素鏈在調節蛋白酶體識別泛素化底物進而引發底物降解的分子機制,為最終闡明生理條件下蛋白酶體降解泛素化底物機制提供了關鍵結構基礎。


泛素-蛋白酶體系統(ubiquitin-proteasome system)參與調控真核細胞內眾多的生物進程。其功能的異常與癌症、神經退行性疾病、自身免疫病等人類重大疾病密切相關。26S蛋白酶體通過降解泛素化底物來調節真核細胞的蛋白質組。長度為4個及以上的Lys48 (K48) 連接的泛素鏈是生理條件下蛋白酶體的主要靶向信號。因此,解析K48連接的多泛素鏈與蛋白酶體結合形成複合體的三維結構,將為深入理解泛素鏈結合引起蛋白酶體構象變化進而引發底物降解的分子機制提供關鍵信息。然而,由於蛋白酶體存在泛素鏈的多個結合位點以及蛋白酶體自身的動態特性,給捕獲初始階段蛋白酶體識別並結合多聚泛素鏈的狀態帶來極大挑戰,由泛素鏈結合引發的蛋白酶體底物降解的分子機制亟待闡明。


叢堯研究組依託國家蛋白質科學中心(上海)的先進冷凍電鏡設施,解析了一系列K48-Ub4泛素鏈引發的蛋白酶體新構象的冷凍電鏡結構,其中三個結構達到近原子分辨率;定義了一個新的泛素接受狀態(Ub-accepted state)C1-b,觀測到由泛素鏈結合而起始的蛋白酶體從靜息態向激活態的轉變;首次捕捉到完整蛋白酶體與K48-Ub4結合的構象C3-b,揭示了K48-Ub4泛素鏈結合在蛋白酶體Rpn1亞基的整個PC環形區域(PC toroid region),這與單泛素或泛素樣蛋白(UBL)的結合模式顯著不同,定義C3-b為底物處理狀態(substrate-processing state)。功能研究顯示K48-Ub4與具有泛素樣結構域的shuttle泛素受體Rad23及去泛素化酶Ubp6可同時佔據Rpn1,揭示了新的泛素傳遞機制。此外,研究闡明瞭19S調節顆粒識別並結合泛素鏈,引發的變構通過Rpn6-a2亞基傳遞到20S核心顆粒,最終打開門控的遠程調控機制。綜上,該研究揭示了K48-Ub4泛素鏈結合對於蛋白酶體的變構調節作用,發現了泛素鏈與完整蛋白酶體獨特的結合模式,並提出了新的泛素傳遞機制,進而揭示了泛素鏈結合在引發蛋白酶體底物降解過程中的調節機制,併為探索蛋白酶體降解泛素化底物缺陷而引起疾病的診療手段提供理論基礎。


叢堯組博士後丁佔玉為論文第一作者,叢堯為通訊作者。參與該工作的還有以色列Technion-Israel Institute of Technology教授Michael H. Glickman團隊,以及國家蛋白質科學中心(上海)教授黃超蘭(現在北京大學)團隊。該研究得到生化與細胞所張榮光、周兆才、周金秋的支持。該研究還得到國家蛋白質科學中心(上海)冷凍電鏡系統、數據庫與計算分析系統、X射線小角散射線站、質譜系統、規模化蛋白質製備系統的設備支持。研究得到國家自然科學基金委、國家科技部、中科院戰略性先導科技專項(B類)和上海市科委等的資助。


左圖:蛋白酶體在K48-Ub4誘導下的變構及底物降解過程。右圖:豬籠草象徵着26S蛋白酶體,瓢蟲代表K48-Ub4,枝條為底物。當K48-Ub4靠近26S蛋白酶體時,lid開始向下運動,最終導致底物被拉入腔內降解。


來源:中國科學院生物化學與細胞生物學研究所


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