物理學院毛有東課題組在Nature發文 蛋白質機器動力學研究取得重大...

2018年11月12日，北京大學物理學院人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、前沿交叉學科研究院定量生物學中心毛有東課題組在《自然》（Nature）雜誌在線發表了題為「底物結合的人源26S蛋白酶體的冷凍電鏡結構和動力學（Cryo-EM structures and dynamics of substrate-engaged human 26S proteasome）」的長論文（Article），通過冷凍電子顯微鏡和機器學習技術的結合，解析了人源蛋白酶體26S在降解底物過程中的七種中間態構象的高分辨（2.8_~3.6埃）精細原子結構，局部解析度最高達到2.5埃。這些三維結構展現了驚人的時空連續性（Spatiotemporal continuity），生動呈現了原子水平的蛋白酶體和底物相互作用的動態過程，首次實現了對AAA-ATPase激酶六聚馬達分子內ATP水解全周循環完整過程的原子水平觀測和三維建模，發現三種不同的ATP水解協同反應模式，作用於調控蛋白酶體複雜多樣的功能。論文解決了一系列長期懸而未決的重要科學問題：（1）蛋白酶體如何進行泛素識別和去泛素化；（2）底物如何與ATPase馬達結合；（3）底物轉運如何啟動；（4）ATPase馬達如何將化學能轉化為機械能，進而實現底物解摺疊的協同動力學機制。這是Nature首次發表系統性、優於3.6埃解析度水平實驗研究超大複合蛋白質機器的動力學過程和原理的論文，標誌冷凍電鏡的發展開始進入期待已久的全原子動力學分析的新時代，被審稿人譽為相關領域的「裡程碑」。Nature編輯部和審稿人對該論文的發表極其重視，從9月11日投稿、審稿到11月12日正式在線發表，用時僅兩個月時間。

泛素-蛋白酶體體系（Ubiquitin-Proteasome System，簡稱UPS）是細胞內最重要的蛋白質降解通路，對維持生物體內蛋白質的濃度平衡，以及對調控蛋白、錯誤摺疊或受到損傷的蛋白的快速降解起著至關重要的作用，參與了細胞周期、基因表達調控等多種細胞進程，由UPS失常引發的蛋白質新陳代謝異常與眾多人類重大疾病直接相關。2004年，Aaron Ciechanover、Irwin Rose和Avram Hershko三位科學家被授予了諾貝爾化學獎，以表彰他們對該降解通路的發現。UPS中蛋白酶體是細胞中最基本、最重要、最複雜且不可或缺的大型全酶超分子複合機器之一，人源蛋白酶體全酶包含至少33種不同的亞基，總原子質量約為2.5MDa。美國FDA批准的多種治療癌症的藥物分子即以蛋白酶體為直接靶標。近年來，隨著冷凍電鏡技術的發展和應用，人們對這一大分子機器的結構和功能研究得以不斷深入。2016年，毛有東課題組與合作者報導了人源蛋白酶體基態的3.6Å冷凍電鏡結構及其它三個亞納米分辨構象，首次發現了一個亞穩態構象的核心顆粒（Core Particle，簡稱CP）底物轉運通道處於開放狀態（見PNAS 2016，113：12991-12996）。2018年4月，該課題組又報導了六個ATPγS結合狀態下的26S動態結構，包括三個CP開放態對應的亞穩簡併態近原子分辨（4_~5Å）結構（見Nature Communications 2018，9：1360）。儘管這些工作揭示了蛋白酶體的基本架構和內在運動行為，但由於缺乏蛋白酶體與底物之間的相互作用，人們對於蛋白酶體如何實現底物降解的原子水平工作機制仍一無所知。此外，儘管冷凍電鏡技術近年來廣泛應用於分析具有動態特徵的蛋白複合體結構和平衡態構象，但對其中間態結構和非平衡構象分析的解析度水平往往局限在4～6埃或更低，離真正的全原子水平動力學分析還有相當一段距離。

為了真正實現原子水平的蛋白酶體底物降解動態過程的冷凍電鏡三維重建和動力學表徵，毛有東課題組攻克了兩大技術難題。其一，如何在蛋白酶體完成底物降解之前抓到它所有可能的中間態構象。課題組發展了一種新穎的核酸置換法，利用ATPγS降低AAA-ATPase激酶水解活性的特點，在底物降解中間過程，通過將ATP快速置換成ATPγS，結合快速冷凍的優勢，從而撲捉到蛋白酶體在底物降解過程的中間態。其二，在從冷凍電鏡數據中分析出更多構象的同時，如何把解析度做到3埃甚至更好。課題組通過多年持續努力，發展了多種基於人工智慧和機器學習的冷凍電鏡圖像聚類的新型算法，並針對蛋白酶體的動力學特徵，設計了一套極其有效的整合了多種算法的多構象分類流程。通過這兩套技術方案的完美結合，課題組成功解析了人源蛋白酶體在降解底物過程中七種不同的、但差別甚微的、高分辨原子水平的天然態構象（Native states），完整展示了蛋白酶體從泛素結合到去泛素化，再到底物轉運的動態過程。與同期在Science發表的與底物結合的酵母蛋白酶體的4.2～4.7埃冷凍電鏡結構（Science doi:10.1126/science.aav0725，來自加州伯克利分校和Scripps研究所）相比，這篇Nature論文不僅在總構象數量上多一倍，全部構象解析度還高1～2埃。由於Science論文採用了抑制Rpn11去泛素活性的策略，其非天然態結構中底物並不能真正自由轉運，所推測的機理僅限於底物轉運這一步，對於其它三大Nature論文所回答重要問題均無法給出答案。這體現了該篇Nature論文不僅在實驗方法的原創性及數據分析水平和質量上，還在科學發現和問題探究的深度和廣度上大幅超越了來自Science的競爭性論文。

七個利用冷凍電鏡解析的精細原子結構，完整揭示了從泛素識別、去泛素化反應、轉運啟動和持續降價的核心功能動態過程

作為整個蛋白酶體的動力來源與運轉核心，AAA-ATPase激酶分子馬達展現出了三種不同的核苷酸水解協作模式，六個ATPase亞基協調工作，交替與底物發生相互作用。在去泛素化過程（E_B態）中，處於對立位置的兩個ATPase亞基Rpt2與Rpt4水解ATP，而Rpt5與Rpt6則釋放ADP，ATPase內的底物轉運通道被打開，使得底物可以進入軸心通道；與此同時，去泛素化酶Rpn11亞基與泛素及底物發生相互作用，執行其作為去泛素化酶的功能；在轉運起始過程（E_C態）中，相鄰的兩個ATPase亞基Rpt1與Rpt5同時水解ATP，調控顆粒（Regulatory Particle，簡稱RP）發生大規模轉動並釋放泛素；在底物去摺疊與轉運過程（E_D態）中，三個相鄰的ATPase亞基會分別同步進行ATP的結合、ADP的釋放與ATP的水解，這一過程會單向傳遞下去，將ATP水解釋放的化學能轉換為機械能，使得相應的ATPase亞基發生剛體轉動，推動底物的去摺疊和單向輸運，同時CP的轉運通道入口打開，底物被送入通道中進行降解。這些研究結果為幾十年來對蛋白酶體功能的研究提供了寶貴的第一手原子結構和動力學信息，對於理解生物體內蛋白質的降解過程和一系列負責物質輸運的ATPase馬達分子的一般工作原理具有極為重要的科學意義。

課題組博士後董原辰與博士生張書文為該論文的共同第一作者，毛有東為通訊作者。這篇論文的全部冷凍電鏡數據均在北京大學電子顯微鏡實驗室和北大冷凍電鏡平臺完成採集，大部分數據分析工作在北大高性能計算平臺上完成。論文的發表標誌著北大冷凍電鏡平臺建設後來居上，在數據採集效率和成像解析度等各方面均已達到國際領先水平，具備了相當的國際競爭力。這項研究得到國家青年千人計劃、國家自然科學基金委、北大-清華生命科學聯合中心、美國Intel公司並行計算研究基金、美國國家健康研究院、Edward Mallinckrodt基金會的資助。

編輯：麥洛

責編：山石