近期，中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）研究員叢堯課題組與國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施質(zhì)譜系統(tǒng)博士彭超合作，在Nature Communications上，在線發(fā)表題為Cryo-EM of mammalian PA28αβ-iCP immunoproteasome reveals a distinct mechanism of proteasome activation by PA28αβ的研究論文。該研究首次解析了哺乳動(dòng)物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶體的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了激活因子PA28αβ結(jié)合并激活免疫蛋白酶體的獨(dú)特分子機(jī)制，為深入理解免疫蛋白酶體的底物降解機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

真核細(xì)胞中的蛋白質(zhì)降解超大分子機(jī)器——蛋白酶體參與調(diào)控諸多的生物進(jìn)程，其功能異常與癌癥、神經(jīng)退行性疾病、免疫疾病等密切相關(guān)。免疫蛋白酶體是可調(diào)控炎癥因子、參與MHC-I抗原提呈路徑的一類特殊蛋白酶體，已在包括惡性腫瘤、自身免疫和炎性疾病等疾病中檢測(cè)到免疫蛋白酶體的過(guò)表達(dá)。執(zhí)行底物降解的蛋白酶體核心顆粒（CP）的活性受到可結(jié)合在其末端的一系列激活因子的調(diào)控。激活因子PA28αβ通過(guò)與免疫蛋白酶體核心顆粒（iCP）結(jié)合，以調(diào)節(jié)可能產(chǎn)生的抗原肽的模式，在MHC-I類抗原呈遞中發(fā)揮重要作用。然而，由于PA28αβ-iCP復(fù)合體的動(dòng)態(tài)性及易解離性等，至今尚無(wú)哺乳動(dòng)物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶體的完整結(jié)構(gòu)。因此，PA28αβ如何激活免疫蛋白酶體進(jìn)而調(diào)控底物降解的分子機(jī)制亟待闡明。

該研究中，研究人員首次解析出哺乳動(dòng)物PA28αβ-iCP及iCP免疫蛋白酶體的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖A）。結(jié)合交聯(lián)質(zhì)譜分析，揭示了PA28αβ與iCP的相對(duì)空間排布（圖B）。PA28αβ-iCP結(jié)構(gòu)顯示，PA28αβ稍微向iCP環(huán)的α3-α4亞基一側(cè)傾斜，干擾了關(guān)鍵門控亞基α2/3/4的變構(gòu)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致iCP門控部分打開(kāi)。研究發(fā)現(xiàn)，異源七聚體PA28αβ對(duì)iCP的結(jié)合和激活機(jī)制與同源七聚體TbPA26及PfPA28，或19S對(duì)CP的結(jié)合和激活機(jī)制相關(guān)但不同，這表明蛋白酶體核心顆粒已進(jìn)化到足夠復(fù)雜，可使用同一套變構(gòu)網(wǎng)絡(luò)從多種激活因子中獲取并協(xié)調(diào)各種降解信號(hào)，精準(zhǔn)調(diào)控蛋白酶體降解的底物及產(chǎn)物類型，進(jìn)而參與各種復(fù)雜的生理過(guò)程。該研究提出，非ATP依賴的激活因子PA28αβ可能通過(guò)與iCP結(jié)合/解離的模式（on-and-off mode）來(lái)調(diào)節(jié)iCP門控的打開(kāi)和關(guān)閉及底物降解，該機(jī)制可能被其他非ATP依賴的蛋白酶體激活因子采用。因此，在進(jìn)化過(guò)程中，激活因子的生理功能及底物的復(fù)雜性決定蛋白酶體激活因子的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和CP的門控調(diào)控機(jī)制。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，在免疫催化亞基和普通催化亞之間的保守差異，有助于闡明普通蛋白酶體與免疫蛋白酶體的酶活差異，為發(fā)展免疫特異性抑制劑提供分子基礎(chǔ)。

該研究首次解析了哺乳動(dòng)物PA28αβ-iCP的完整結(jié)構(gòu)，揭示了PA28αβ激活免疫蛋白酶體的分子機(jī)制，為深入理解PA28αβ調(diào)控免疫蛋白酶體底物降解機(jī)制及發(fā)展免疫蛋白酶體抑制劑提供了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。叢堯組博士陳進(jìn)寰、博士研究生汪一帆和徐聰為論文的共同第一作者，叢堯、分子細(xì)胞卓越中心博士后丁占玉、彭超為論文的共同通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科學(xué)技術(shù)部、中科院和上海市科委等的支持，獲得國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施的冷凍電鏡系統(tǒng)、質(zhì)譜系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)與計(jì)算分析系統(tǒng)及蛋白質(zhì)表達(dá)純化系統(tǒng)的幫助。

論文鏈接

　?。ˋ）免疫蛋白酶體PA28αβ-iCP及iCP的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，PA28αβ即可結(jié)合在iCP的一端，也可兩端同時(shí)結(jié)合；（B）PA28αβ與iCP的相對(duì)空間排布；（C）PA28αβ-iCP復(fù)合體中PA28αβ與iCP的相互作用界面，其中，插入iCP環(huán)的PA28αβ的C末端尾巴由青色密度表示；（D）PA28αβ結(jié)合并激活iCP的分子機(jī)制示意圖

來(lái)源：中科院