蛋白酶體在泛素鏈誘導下的變構及底物識別機制

　　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，包括蛋白質質量控制、細胞周期維持、基因表達調控、應激反應等【1,2】。其功能的異常與癌癥、神經退行性疾病、自身免疫病等人類重大疾病密切相關【3】。26S蛋白酶體是一種依賴于ATP的蛋白酶，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【4,5】。因此，解析K48連接的多泛素鏈與蛋白酶體結合形成復合體的三維結構，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，由于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并結合多聚泛素鏈的狀態帶來極大挑戰，迄今為止，非錨定K48-Ub4泛素鏈（free unanchored K48-Ub4 chain）在完整蛋白酶體結構中的結合位置尚不清楚。因此，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。

　　2019年2月18日，中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所叢堯研究組在Molecular Cell發表了題為Structural snapshots of 26S proteasome reveal tetraubiquitin-induced conformations的研究論文，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。

　　在該項研究中，叢堯研究組依托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水平。通過與相關結構的比對 【6】，研究人員定義了一個全新的靜息態構象C1-b。與以往的靜息態構象不同的是C1-b具有更為穩定的泛素受體（如Rpn1，Rpn10），同時其19S調節顆粒的外圍亞基有向Rpn1靠近的趨勢。上述變化趨勢可能由泛素鏈的結合引起，從而起始整個蛋白酶體從靜息態向激活態的轉變。研究人員將C1-b定義為泛素接受狀態（Ub-accepted state）。

　　更為有趣的是在蛋白酶體激活態的三個構象中，研究人員首次捕捉到了完整蛋白酶體與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。同時，與以色列Technion-Israel Institute of Technology 的Michael H. Glickman教授研究團隊合作的功能研究顯示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可同時占據Rpn1，揭示了全新的泛素傳遞機制。另外，C3-b結構具有連續的底物轉運通道及打開的20S門控，表明其具備底物降解條件，從而被定義為底物處理狀態（substrate-processing state）。

　　之后，研究人員分析了這五個結構的構象變化，尤其側重于19S調節顆粒的lid、base區域，及20S核心顆粒的門控區域，揭示了19S調節顆粒識別并結合泛素鏈，引發的變構通過Rpn6-α2 亞基傳遞到20S核心顆粒，最終打開門控的遠程調控機制。

　　綜上所述，該研究揭示了K48-Ub4泛素鏈結合對于整個蛋白酶體的變構調節作用，首次捕捉到蛋白酶體與K48-Ub4泛素鏈相結合的構象，發現了泛素鏈與完整蛋白酶體獨特的結合模式，并提出了全新的泛素傳遞機制，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。該研究為最終闡明生理條件下蛋白酶體降解泛素化底物的分子機制奠定了基礎，并為深入理解蛋白酶體降解泛素化底物缺陷而引起疾病的機制，進而探索相關疾病的診療手段提供理論基礎。

　　據悉，叢堯組博士后丁占玉為本文第一作者，叢堯研究員為通訊作者。參與該工作的還有以色列Technion-Israel Institute of Technology的Michael H. Glickman教授團隊，以及國家蛋白質科學中心（上海）的黃超蘭教授（現在北京大學）團隊。該研究得到了生化細胞所張榮光、周兆才、周金秋研究員的大力支持。