施一公最新綜述：關鍵蛋白酶結構生物學研究進展

日期：2014-11-14 09:19:26

26S 蛋白酶體是真核細胞內負責蛋白質降解的主要分子機器, 通過特異性降解目的蛋白質, 幾乎參與了生物體的絕大多數生命活動。近期清華大學生科院施一公教授與另外一位學者發表了關于這一重要蛋白酶的研究進展綜述，回顧了近幾年在 26S 蛋白酶體結構生物學領域的重要進展, 并展望了該領域未來的發展及面臨的挑戰。

蛋白質的生成和降解是生物體內最基本也是最重要的新陳代謝過程, 參與了生物體內幾乎所有的重要生命活動. 蛋白質新陳代謝異常與癌癥、老年癡呆癥等許多惡性疾病直接相關. 在生物體內, 負責蛋白質合成的分子機器是核糖體, 近年來, 一系列核糖體原子分辨率的三維結構相繼被解析出來, 極大地促進了人們對蛋白質合成分子機制的理解與認識. 同核糖體相比, 生物體內負責蛋白質降解的分子機器 26S 蛋白酶體的研究相對滯后, 尤其是迄今為止尚未獲得其全酶原子分辨率的三維結構。

26S蛋白酶體在結構上可分為 19S調節顆粒和20S核心顆粒兩部分. 19S調節顆粒負責識別帶有泛素鏈標記的蛋白質底物及對其進行去折疊, 并最終將去折疊的蛋白質底物傳送至20S核心顆粒中進行降解. 由于26S蛋白酶體的結構組成復雜, 分子量十分巨大, 現有的X-ray技術和NMR技術對其完整結構的解析都無能為力,僅能解析出部分單個蛋白成員或分子量較低的亞復合物晶體結構. 而冷凍電鏡技術在相當一段時間內處于發展的初級階段, 導致其三維結構的研究進展曾經十分緩慢, 嚴重阻礙了人們對其結構和功能的了解.

近年來, 隨著在X-ray技術領域對大分子復合物結構解析的經驗積累和冷凍電鏡技術領域的技術革命, 完整的 26S 蛋白酶體三維結構解析取得了飛速的發展.

在 26S 蛋白酶體中, 20S 核心顆粒的結構相對穩定, 因此, 20S 核心顆粒的晶體結構及其與不同抑制劑復合物的晶體結構相繼被解析出來，此外, 采用 X-ray 所能解析的主要為單獨的蛋白質成員或者低分子量的亞復合物晶體結構.

2012 年, He 等人報道了來自釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的 Rpn2 晶體結構. 結構顯示, Rpn2 上的 PC repeat(Proteasome/cyclosome repeat)形成了一個獨特的的封閉環形(Toroid)結構, 并發現其 C 端 925-945 是與 Rpn13 相互作用的位點.

同年，來自于黑腹果蠅(Drosophila melanogaster) Rpn6 的晶體結構以及來自裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)的Rpn12晶體結構相繼被報道出來.此后2014 年, 來自美國和德國的兩個研究組相繼報道了 lid 中執行去泛素化酶活性的 Rpn8-Rpn11 二元復合物的晶體結構.

從技術上來說，相比利用 X-ray 技術解析的晶體結構方面進展, 冷凍電鏡技術近年來的技術革命大大推動了 26S 蛋白酶體全酶的結構生物學研究. 近年來不同研究組利用冷凍電鏡技術解析了完整的 26S 蛋白酶體在不同狀態下的近原子分辨率三維結構, 包括核酸結合的不同狀態以及是否有底物結合的不同狀態。

作者指出，自26S蛋白酶體被發現以來, 鑒于其在眾多生命過程中的重要作用以及與疾病的直接聯系, 人們希望盡早在分子水平上了解其行使功能的分子基礎. 為此, 近 30 年來, 科研人員紛紛對解析其三維結構進行著持續不斷的努力. 迄今為止, 雖然尚未解析出原子分辨率完整的 26S 蛋白酶體的三維結構, 卻用X-ray技術解析了原子分辨率20S核心顆粒晶體結構, lid 亞基中的 Rpn2, Rpn6, Rpn8/11 晶體結構以及 base上的分子伴侶與相應Rpt片段復合物的晶體結構. 利用三維冷凍電鏡成像技術解析了低分辨率的 lid 亞基三維結構, 并將完整26S蛋白酶體三維結構的分辨率提高至 6.7 Å, 已經無限靠近原子分辨率.

而近年來隨著三維冷凍電鏡成像技術領域的革命, 包括冷凍電鏡的自動化、直接電子探測技術以及高性能圖像處理技術的應用, 26S 蛋白酶體在原子水平上的三維結構神秘面紗即將被揭開.

此外, 26S 蛋白酶體執行功能的分子機制研究目前仍進展緩慢. 如蛋白質底物是如何被 26S 蛋白酶體識別的? 泛素鏈標簽的剪切是何時發生, 又是如何進行的? 19S 調節顆粒是如何實現對蛋白質底物的去折疊及轉運的? 與 26S 蛋白酶體相互作用的泛素受體和 DUB 是如何調控其相應功能的等等? 這些問題的解決, 都需要結構生物學的參與. 在冷凍電鏡技術領域發生革命的今天, 可以預計, 在分辨率逐漸提高的情況下, 通過結構生物學手段捕捉相應的分子運動過程的不同構象, 進而推斷出相應的分子機制也已經指日可待.