《自然》雜志在線(xiàn)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(shí)間分辨率分析精度，揭示了人源蛋白酶體（proteasome）的動(dòng)力學(xué)調控機制。
研究團隊指出，作為影響細胞內蛋白質(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(diǎn)，因此對其動(dòng)力學(xué)調控和構象變化實(shí)現精準觀(guān)察，有望推動(dòng)新一輪藥物研發(fā)的重大創(chuàng )新。
在真核細胞（包括人類(lèi)細胞）內，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。在這一過(guò)程中，待降解的蛋白質(zhì)作為底物被打上“泛素”標記，進(jìn)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(shí)現精準降解。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(lèi)疾病有關(guān)。
圍繞蛋白酶體，毛有東教授實(shí)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、組裝原理和降解泛素化底物的動(dòng)力學(xué)基本規律。蛋白酶體全酶又稱(chēng)為26S proteasome，由中間一個(gè)圓柱形20S核心顆粒和兩端覆蓋的一個(gè)或兩個(gè)19S調節顆粒組成。19S包含一個(gè)環(huán)形異源六聚體馬達——AAA-ATPase，通過(guò)多個(gè)協(xié)同ATP水解模式調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(gè)水平的嚴格調控。去泛素化酶USP14就是蛋白酶體的一個(gè)主要調控分子，它通過(guò)與蛋白酶體發(fā)生可逆的結合，切除底物上的泛素鏈。
然而，這一過(guò)程速度極快，蛋白酶體降解底物的時(shí)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控蛋白酶體功能，始終是個(gè)世 界 級的難題。
而這正是此次研究的突破所在：在原子水平上呈現了蛋白質(zhì)降解過(guò)程中USP14和蛋白酶體的構象連續體。
▲ USP14調控下蛋白酶體復合體降解多泛素化底物的原子結構模型之一 (A)， 時(shí)間分辨率冷凍電鏡解析13種中間態(tài)的統計分布隨蛋白質(zhì)降解進(jìn)程的時(shí)間演化(B)（圖片來(lái)源：毛有東教授/CC BY 4.0）
為了用冷凍電鏡技術(shù)捕獲該過(guò)程的中間態(tài)結構，研究團隊首先設法放慢了這個(gè)過(guò)程。通過(guò)大量的條件摸索，重建反應動(dòng)力學(xué)體系和優(yōu)化反應條件，研究人員獲得了45000多張含時(shí)USP14-降解泛素底物過(guò)程中的冷凍電鏡透射圖樣，挑取了超過(guò)300萬(wàn)個(gè)USP14-26S-泛素底物復合體的顆粒圖像。
接下來(lái)，更關(guān)鍵的一步是對如此大量的圖像進(jìn)行分類(lèi)，呈現出蛋白反應的動(dòng)態(tài)過(guò)程。為此，研究組借助人工智能，利用經(jīng)過(guò)數年自主開(kāi)發(fā)的新型深度學(xué)習高精度三維分類(lèi)和四維重建方法，捕獲了USP14-26S復合體降解多泛素化底物過(guò)程的13種不同功能中間狀態(tài)的高分辨率（3.0~3.6埃）非平衡構象，重建出受控蛋白酶體的完整動(dòng)力學(xué)工作周期。
▲通過(guò)時(shí)間分辨冷凍電鏡分析獲取的USP14調控蛋白酶體底物降解的并行路徑模型（圖片來(lái)源：毛有東教授/CC BY 4.0）
結合分子生物學(xué)功能和基因突變研究，這項研究工作最終闡明了USP14和26S蛋白酶體相互調控活性的原子結構基礎和非平衡動(dòng)力學(xué)機制。
研究發(fā)現，USP14的活化同時(shí)依賴(lài)于泛素識別和蛋白酶體RPT1亞基的結合。出人意料的是，USP14通過(guò)別構效應，誘導蛋白酶體同時(shí)沿著(zhù)兩條并行狀態(tài)轉變路徑發(fā)生構象變化。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(shí)轉化，為USP14調節26S蛋白酶體的完整功能周期提供了全新的高分辨見(jiàn)解。
《自然》同期發(fā)表的評論文章中，審稿人對該研究有著(zhù)很高的評價(jià)，指出“該工作是一項重大研究，終于在原子水平解決了USP14活化和其調控蛋白酶體功能的機制問(wèn)題”。
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