蛋白酶体在泛素链诱导下的变构及底物识别机制

　　泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system）参与调控真核细胞内众多的生物进程，包括蛋白质质量控制、细胞周期维持、基因表达调控、应激反应等【1,2】。其功能的异常与癌症、神经退行性疾病、自身免疫病等人类重大疾病密切相关【3】。26S蛋白酶体是一种依赖于ATP的蛋白酶，通过降解泛素化底物来调节真核细胞的蛋白质组。长度为4个及以上的Lys48 (K48) 连接的泛素链是生理条件下蛋白酶体的主要靶向信号【4,5】。因此，解析K48连接的多泛素链与蛋白酶体结合形成复合体的三维结构，将为深入理解泛素链结合引起蛋白酶体构象变化进而引发底物降解的分子机制提供关键信息。

　　然而，由于蛋白酶体存在泛素链的多个结合位点以及蛋白酶体自身的动态特性，给捕获初始阶段蛋白酶体识别并结合多聚泛素链的状态带来极大挑战，迄今为止，非锚定K48-Ub4泛素链（free unanchored K48-Ub4 chain）在完整蛋白酶体结构中的结合位置尚不清楚。因此，由泛素链结合引发的蛋白酶体底物降解的分子机制亟待阐明。

　　2019年2月18日，中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所丛尧研究组在Molecular Cell发表了题为Structural snapshots of 26S proteasome reveal tetraubiquitin-induced conformations的研究论文，解析了一系列蛋白酶体在K48-Ub4泛素链存在下的近原子分辨率冷冻电镜结构，首次捕捉到蛋白酶体与K48-Ub4泛素链结合的三维结构，揭示了泛素链在调节蛋白酶体识别泛素化底物进而引发底物降解的分子机制，为最终阐明生理条件下蛋白酶体降解泛素化底物机制提供了关键结构基础。

　　在该项研究中，丛尧研究组依托国家蛋白质科学中心（上海）的先进冷冻电镜设施，解析了一系列K48-Ub4泛素链引发的蛋白酶体新构象的冷冻电镜结构，其中三个结构达到近原子分辨率水平。通过与相关结构的比对 【6】，研究人员定义了一个全新的静息态构象C1-b。与以往的静息态构象不同的是C1-b具有更为稳定的泛素受体（如Rpn1，Rpn10），同时其19S调节颗粒的外围亚基有向Rpn1靠近的趋势。上述变化趋势可能由泛素链的结合引起，从而起始整个蛋白酶体从静息态向激活态的转变。研究人员将C1-b定义为泛素接受状态（Ub-accepted state）。

　　更为有趣的是在蛋白酶体激活态的三个构象中，研究人员首次捕捉到了完整蛋白酶体与K48-Ub4结合的构象C3-b，揭示了K48-Ub4泛素链结合在蛋白酶体Rpn1亚基的整个PC环形区域（PC toroid region），这与单泛素或泛素样蛋白（UBL）的结合模式显著不同。同时，与以色列Technion-Israel Institute of Technology 的Michael H. Glickman教授研究团队合作的功能研究显示K48-Ub4与具有泛素样结构域的shuttle泛素受体Rad23及去泛素化酶Ubp6可同时占据Rpn1，揭示了全新的泛素传递机制。另外，C3-b结构具有连续的底物转运通道及打开的20S门控，表明其具备底物降解条件，从而被定义为底物处理状态（substrate-processing state）。

　　之后，研究人员分析了这五个结构的构象变化，尤其侧重于19S调节颗粒的lid、base区域，及20S核心颗粒的门控区域，揭示了19S调节颗粒识别并结合泛素链，引发的变构通过Rpn6-α2 亚基传递到20S核心颗粒，最终打开门控的远程调控机制。

　　综上所述，该研究揭示了K48-Ub4泛素链结合对于整个蛋白酶体的变构调节作用，首次捕捉到蛋白酶体与K48-Ub4泛素链相结合的构象，发现了泛素链与完整蛋白酶体独特的结合模式，并提出了全新的泛素传递机制，进而揭示了泛素链结合在引发蛋白酶体底物降解过程中的调节机制。该研究为最终阐明生理条件下蛋白酶体降解泛素化底物的分子机制奠定了基础，并为深入理解蛋白酶体降解泛素化底物缺陷而引起疾病的机制，进而探索相关疾病的诊疗手段提供理论基础。

　　据悉，丛尧组博士后丁占玉为本文第一作者，丛尧研究员为通讯作者。参与该工作的还有以色列Technion-Israel Institute of Technology的Michael H. Glickman教授团队，以及国家蛋白质科学中心（上海）的黄超兰教授（现在北京大学）团队。该研究得到了生化细胞所张荣光、周兆才、周金秋研究员的大力支持。