北大冷凍電鏡技術接連發表Nature，NatureCommunications文章

　　蛋白酶體是細胞中用來調控特定蛋白質的濃度和清除錯誤折疊蛋白質的主要機制的核心組成部分，是細胞中最普遍的不可或缺的大型全酶超分子復合機器之一，也是迄今為止發現的最大的蛋白降解機器。

　　北京大學物理學院/定量生物學中心毛有東課題組致力于新興冷凍電鏡技術方法的發展，將之用于結構生物學、生物物理、化學生物學、藥物設計等重要學科領域的前沿研究。近期這一課題組接連在Nature，Nature Communications雜志上發表文章，揭示了人源蛋白酶體26S的三維動態結構和作用機制。

　　人源蛋白酶體全酶包含至少64個亞基，由蓋子 (Lid)和基座(Base)亞復合體組成的調控顆粒RP(Regulatory Particle)所激活。2016年，這一課題組與其合作者在PNAS報道了人源蛋白酶體的基態近原子分辨的冷凍電鏡結構，以及三個亞納米分辨的RP-CP亞復合體亞穩或過渡態的共存結構，并首次發現其中一個亞穩態構象的CP的底物轉運通道處于開放狀態。

　　此基礎上，今年這一研究組又利用他們自主開發的基于統計流行算法的高性能計算軟件ROME（見PLoS ONE 2017, 12:e0182130）與優化的冷凍電鏡處理方法，對ATP-γS結合狀態下的人源蛋白酶體的全酶冷凍電鏡單顆粒數據展開了深入分析，得到了6個共存的動態結構，其中包括3.6埃分辨率的基態結構，3.5埃的開放態CP結構，和三個CP開放態對應的亞穩簡并態全酶4.2埃，4.3埃和4.9埃的結構。

　　另外兩個中間態結構分辨率為7.0埃和5.8埃。三個CP開放態對應的全酶結構的主要差別在于位于RP的AAA-ATPase激酶馬達模塊，伴隨其不同的構象變化，至少有四個ATP-γS分子穩定結合在不同的AAA-ATPase亞基上，為其在不同核酸結合狀態下形成的非穩定動態構象提供了重要證據。

　　這一研究首次觀察到位于AAA-ATPase激酶馬達模塊中心的底物轉運通道呈現從螺旋到鞍形不同的拓撲結構變化，為進一步分析底物和蛋白酶體全酶的相互作用奠定了重要基礎。

　　同時，近期在Nature發表的最新文章中，研究人員解析了人源蛋白酶體26S與底物相互作用時，分辨率高達2.8-3.6?的七個構象狀態，全面揭示了多泛素化蛋白質的分解過程。

　　這些結構幫助我們了解了從泛素識別到底物易位的動態底物-蛋白酶體相互作用，在此期間ATP水解依次導航通過所有六種ATP酶。

　　研究人員觀察到三種主要的協調水解模式：兩個相對定位的ATP酶，兩個相鄰ATP酶，以及一次一個ATP酶中的水解事件。這些水解模式分別調節底物的去泛素化，易位起始和過程解折疊。ATP水解為每個ATP酶運動提供動力，調節其底物相互作用。三個相鄰ATP酶中ATP結合，ADP釋放和ATP水解的同步化能驅動底物結合的ATP酶剛體旋轉，ATP酶環中單向增殖，解折疊底物。

　　這項研究為進一步分析底物和蛋白酶體全酶的相互作用提出了新見解。