《自然》雜志在線發(fā)表了一篇北京大學研究團隊的最新論文。毛有東教授領銜的科研團隊，使用國際前沿的創(chuàng)新技術，大幅提升冷凍電鏡的時間分辨率分析精度，揭示了人源蛋白酶體（proteasome）的動力學調控機制。
研究團隊指出，作為影響細胞內蛋白質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，因此對其動力學調控和構象變化實現精準觀察，有望推動新一輪藥物研發(fā)的重大創(chuàng)新。
在真核細胞（包括人類細胞）內，泛素-蛋白酶體系是定向降解蛋白質的一種主要方式。2004年，諾貝爾化學獎授予三位科學家，表彰他們對該泛素化蛋白質降解機制的歷史性發(fā)現。在這一過程中，待降解的蛋白質作為底物被打上“泛素”標記，進而被蛋白酶體識別；然后，蛋白酶體如同一臺蛋白質粉碎機，將底物切割成碎片，實現精準降解。蛋白酶體功能紊亂，與癌癥、神經退行性疾病、免疫疾病等一系列人類疾病有關。
圍繞蛋白酶體，毛有東教授實驗室在先前的一系列工作中，基于冷凍電鏡技術逐步揭示了其原子架構、組裝原理和降解泛素化底物的動力學基本規(guī)律。蛋白酶體全酶又稱為26S proteasome，由中間一個圓柱形20S核心顆粒和兩端覆蓋的一個或兩個19S調節(jié)顆粒組成。19S包含一個環(huán)形異源六聚體馬達——AAA-ATPase，通過多個協同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水平的嚴格調控。去泛素化酶USP14就是蛋白酶體的一個主要調控分子，它通過與蛋白酶體發(fā)生可逆的結合，切除底物上的泛素鏈。
然而，這一過程速度極快，蛋白酶體降解底物的時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降解過程中USP14和蛋白酶體的構象連續(xù)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)， 時間分辨率冷凍電鏡解析13種中間態(tài)的統(tǒng)計分布隨蛋白質降解進程的時間演化(B)（圖片來源：毛有東教授/CC BY 4.0）
為了用冷凍電鏡技術捕獲該過程的中間態(tài)結構，研究團隊首先設法放慢了這個過程。通過大量的條件摸索，重建反應動力學體系和優(yōu)化反應條件，研究人員獲得了45000多張含時USP14-降解泛素底物過程中的冷凍電鏡透射圖樣，挑取了超過300萬個USP14-26S-泛素底物復合體的顆粒圖像。
接下來，更關鍵的一步是對如此大量的圖像進行分類，呈現出蛋白反應的動態(tài)過程。為此，研究組借助人工智能，利用經過數年自主開發(fā)的新型深度學習高精度三維分類和四維重建方法，捕獲了USP14-26S復合體降解多泛素化底物過程的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力學工作周期。
▲通過時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（圖片來源：毛有東教授/CC BY 4.0）
結合分子生物學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力學機制。
研究發(fā)現，USP14的活化同時依賴于泛素識別和蛋白酶體RPT1亞基的結合。出人意料的是，USP14通過別構效應，誘導蛋白酶體同時沿著兩條并行狀態(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)的瞬時轉化，為USP14調節(jié)26S蛋白酶體的完整功能周期提供了全新的高分辨見解。
《自然》同期發(fā)表的評論文章中，審稿人對該研究有著很高的評價，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題”。
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