施一公最新综述：关键蛋白酶结构生物学研究进展

 26S 蛋白酶体是真核细胞内负责蛋白质降解的主要分子机器, 通过特异性降解目的蛋白质, 几乎参与了生物体的绝大多数生命活动。近期清华大学生科院施一公教授与另外一位学者发表了关于这一重要蛋白酶的研究进展综述，回顾了近几年在 26S 蛋白酶体结构生物学领域的重要进展, 并展望了该领域未来的发展及面临的挑战。

蛋白质的生成和降解是生物体内最基本也是最重要的新陈代谢过程, 参与了生物体内几乎所有的重要生命活动. 蛋白质新陈代谢异常与癌症、老年痴呆症等许多恶性疾病直接相关. 在生物体内, 负责蛋白质合成的分子机器是核糖体, 近年来, 一系列核糖体原子分辨率的三维结构相继被解析出来, 极大地促进了人们对蛋白质合成分子机制的理解与认识. 同核糖体相比, 生物体内负责蛋白质降解的分子机器 26S 蛋白酶体的研究相对滞后, 尤其是迄今为止尚未获得其全酶原子分辨率的三维结构。

26S蛋白酶体在结构上可分为 19S调节颗粒和20S核心颗粒两部分. 19S调节颗粒负责识别带有泛素链标记的蛋白质底物及对其进行去折叠, 并最终将去折叠的蛋白质底物传送至20S核心颗粒中进行降解. 由于26S蛋白酶体的结构组成复杂, 分子量十分巨大, 现有的X-ray技术和NMR技术对其完整结构的解析都无能为力,仅能解析出部分单个蛋白成员或分子量较低的亚复合物晶体结构. 而冷冻电镜技术在相当一段时间内处于发展的初级阶段, 导致其三维结构的研究进展曾经十分缓慢, 严重阻碍了人们对其结构和功能的了解.

近年来, 随着在X-ray技术领域对大分子复合物结构解析的经验积累和冷冻电镜技术领域的技术革命, 完整的 26S 蛋白酶体三维结构解析取得了飞速的发展.

在 26S 蛋白酶体中, 20S 核心颗粒的结构相对稳定, 因此, 20S 核心颗粒的晶体结构及其与不同抑制剂复合物的晶体结构相继被解析出来，此外, 采用 X-ray 所能解析的主要为单独的蛋白质成员或者低分子量的亚复合物晶体结构.

2012 年, He 等人报道了来自酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的 Rpn2 晶体结构. 结构显示, Rpn2 上的 PC repeat(Proteasome/cyclosome repeat)形成了一个独特的的封闭环形(Toroid)结构, 并发现其 C 端 925-945 是与 Rpn13 相互作用的位点.

同年，来自于黑腹果蝇(Drosophila melanogaster) Rpn6 的晶体结构以及来自裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)的Rpn12晶体结构相继被报道出来.此后2014 年, 来自美国和德国的两个研究组相继报道了 lid 中执行去泛素化酶活性的 Rpn8-Rpn11 二元复合物的晶体结构.

从技术上来说，相比利用 X-ray 技术解析的晶体结构方面进展, 冷冻电镜技术近年来的技术革命大大推动了 26S 蛋白酶体全酶的结构生物学研究. 近年来不同研究组利用冷冻电镜技术解析了完整的 26S 蛋白酶体在不同状态下的近原子分辨率三维结构, 包括核酸结合的不同状态以及是否有底物结合的不同状态。

作者指出，自26S蛋白酶体被发现以来, 鉴于其在众多生命过程中的重要作用以及与疾病的直接联系, 人们希望尽早在分子水平上了解其行使功能的分子基础. 为此, 近 30 年来, 科研人员纷纷对解析其三维结构进行着持续不断的努力. 迄今为止, 虽然尚未解析出原子分辨率完整的 26S 蛋白酶体的三维结构, 却用X-ray技术解析了原子分辨率20S核心颗粒晶体结构, lid 亚基中的 Rpn2, Rpn6, Rpn8/11 晶体结构以及 base上的分子伴侣与相应Rpt片段复合物的晶体结构. 利用三维冷冻电镜成像技术解析了低分辨率的 lid 亚基三维结构, 并将完整26S蛋白酶体三维结构的分辨率提高至 6.7 Å, 已经无限靠近原子分辨率.

而近年来随着三维冷冻电镜成像技术领域的革命, 包括冷冻电镜的自动化、 直接电子探测技术以及高性能图像处理技术的应用, 26S 蛋白酶体在原子水平上的三维结构神秘面纱即将被揭开.

此外, 26S 蛋白酶体执行功能的分子机制研究目前仍进展缓慢. 如蛋白质底物是如何被 26S 蛋白酶体识别的? 泛素链标签的剪切是何时发生, 又是如何进行的? 19S 调节颗粒是如何实现对蛋白质底物的去折叠及转运的? 与 26S 蛋白酶体相互作用的泛素受体和 DUB 是如何调控其相应功能的等等? 这些问题的解决, 都需要结构生物学的参与. 在冷冻电镜技术领域发生革命的今天, 可以预计, 在分辨率逐渐提高的情况下, 通过结构生物学手段捕捉相应的分子运动过程的不同构象, 进而推断出相应的分子机制也已经指日可待.