近期，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）研究員叢堯課題組與國家蛋白質科學研究（上海）設施質譜系統(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物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶體的高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了激活因子PA28αβ結合并激活免疫蛋白酶體的獨特分子機制，為深入理解免疫蛋白酶體的底物降解機制提供了結構基礎。

真核細胞中的蛋白質降解超大分子機器——蛋白酶體參與調控諸多的生物進程，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。免疫蛋白酶體是可調控炎癥因子、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到免疫蛋白酶體的過表達。執(zhí)行底物降解的蛋白酶體核心顆粒（CP）的活性受到可結合在其末端的一系列激活因子的調控。激活因子PA28αβ通過與免疫蛋白酶體核心顆粒（iCP）結合，以調節(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復合體的動態(tài)性及易解離性等，至今尚無哺乳動物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶體的完整結構。因此，PA28αβ如何激活免疫蛋白酶體進而調控底物降解的分子機制亟待闡明。

該研究中，研究人員首次解析出哺乳動物PA28αβ-iCP及iCP免疫蛋白酶體的近原子分辨率冷凍電鏡結構（圖A）。結合交聯(lián)質譜分析，揭示了PA28αβ與iCP的相對空間排布（圖B）。PA28αβ-iCP結構顯示，PA28αβ稍微向iCP環(huán)的α3-α4亞基一側傾斜，干擾了關鍵門控亞基α2/3/4的變構調節(jié)網(wǎng)絡，導致iCP門控部分打開。研究發(fā)現(xiàn)，異源七聚體PA28αβ對iCP的結合和激活機制與同源七聚體TbPA26及PfPA28，或19S對CP的結合和激活機制相關但不同，這表明蛋白酶體核心顆粒已進化到足夠復雜，可使用同一套變構網(wǎng)絡從多種激活因子中獲取并協(xié)調各種降解信號，精準調控蛋白酶體降解的底物及產(chǎn)物類型，進而參與各種復雜的生理過程。該研究提出，非ATP依賴的激活因子PA28αβ可能通過與iCP結合/解離的模式（on-and-off mode）來調節(jié)iCP門控的打開和關閉及底物降解，該機制可能被其他非ATP依賴的蛋白酶體激活因子采用。因此，在進化過程中，激活因子的生理功能及底物的復雜性決定蛋白酶體激活因子的結構復雜性和CP的門控調控機制。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。

該研究首次解析了哺乳動物PA28αβ-iCP的完整結構，揭示了PA28αβ激活免疫蛋白酶體的分子機制，為深入理解PA28αβ調控免疫蛋白酶體底物降解機制及發(fā)展免疫蛋白酶體抑制劑提供了重要結構基礎。叢堯組博士陳進寰、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。研究工作得到國家自然科學基金委、科學技術部、中科院和上海市科委等的支持，獲得國家蛋白質科學研究（上海）設施的冷凍電鏡系統(tǒng)、質譜系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫與計算分析系統(tǒng)及蛋白質表達純化系統(tǒng)的幫助。

論文鏈接

　　（A）免疫蛋白酶體PA28αβ-iCP及iCP的冷凍電鏡結構，PA28αβ即可結合在iCP的一端，也可兩端同時結合；（B）PA28αβ與iCP的相對空間排布；（C）PA28αβ-iCP復合體中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結合并激活iCP的分子機制示意圖

來源：中科院