北大學(xué)者在《自然》發(fā)表蛋白質(zhì)機(jī)器動(dòng)力學(xué)研究的重要研究
2018年11月12日，北京大學(xué)物理學(xué)院人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、前沿交叉學(xué)院定量生物學(xué)中心毛有東課題組在Nature在線發(fā)表了題為“Cryo-EM structures and dynamics of substrate-engaged human 26S proteasome（底物結(jié)合的人源26S蛋白酶體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)）”的長(zhǎng)論文（Article）。
研究者通過冷凍電子顯微鏡和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的結(jié)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(tài)構(gòu)象的高分辨（2.8~3.6埃）精細(xì)原子結(jié)構(gòu)，最好局部分辨率達(dá)2.5埃。這些三維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了驚人的的時(shí)空連續(xù)性（Spatiotemporal continuity），生動(dòng)呈現(xiàn)了原子水平的蛋白酶體和底物相互作用的動(dòng)態(tài)過程，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)AAA-ATPase激酶六聚馬達(dá)分子內(nèi)ATP水解全周循環(huán)的完整過程的原子水平觀測(cè)和三維建模，發(fā)現(xiàn)三種不同的ATP水解協(xié)同反應(yīng)模式，用于調(diào)控蛋白酶體的復(fù)雜多樣的功能。論文解決了一系列長(zhǎng)期懸而未決的重要科學(xué)問題，包括：（1）蛋白酶體如何進(jìn)行泛素識(shí)別和去泛素化；（2）底物是如何與ATPase馬達(dá)結(jié)合起來的；（3）底物轉(zhuǎn)運(yùn)是如何啟動(dòng)的；（4）ATPase馬達(dá)如何將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底物解折疊的協(xié)同動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
這是Nature上首次發(fā)表系統(tǒng)性、優(yōu)于3.6埃分辨率水平實(shí)驗(yàn)研究超大復(fù)合蛋白質(zhì)機(jī)器的動(dòng)力學(xué)過程和原理的論文，標(biāo)志冷凍電鏡的發(fā)展開始進(jìn)入期待已久的全原子動(dòng)力學(xué)分析的新時(shí)代，被審稿人譽(yù)為相關(guān)領(lǐng)域的“里程碑”。Nature編輯部和審稿人對(duì)該論文發(fā)表極其重視，從9月12日投稿、審稿到11月12日正式Online，僅耗時(shí)2個(gè)月。
泛素-蛋白酶體體系（Ubiquitin-Proteasome System，簡(jiǎn)稱UPS）是細(xì)胞內(nèi)最重要的蛋白質(zhì)降解通路，對(duì)維持生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的濃度平衡，以及對(duì)調(diào)控蛋白、錯(cuò)誤折疊或受到損傷的蛋白的快速降解起著至關(guān)重要的作用，參與了細(xì)胞周期、基因表達(dá)調(diào)控等多種細(xì)胞進(jìn)程，由UPS失常引發(fā)的蛋白質(zhì)新陳代謝異常與眾多人類重大疾病直接相關(guān)。
2004年，Aaron Ciechanover, Irwin Rose和Avram Hershko三位科學(xué)家被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們對(duì)該降解通路的發(fā)現(xiàn)。UPS中蛋白酶體是細(xì)胞中最基本的、最重要的不可或缺的、最為復(fù)雜的大型全酶超分子復(fù)合機(jī)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(zhì)量約為2.5MDa。美國(guó)FDA批準(zhǔn)的多種治療癌癥的藥物分子即以蛋白酶體為直接靶標(biāo)。
近年來，隨著冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，人們對(duì)這一大分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)和功能研究得以不斷深入。2016年，毛有東課題組與合作者報(bào)道了人源蛋白酶體基態(tài)的3.6 ?冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及其他三個(gè)亞納米分辨構(gòu)象，并首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)象的核心顆粒（Core Particle，簡(jiǎn)稱CP）底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道處于開放狀態(tài)。2017年，該課題組與合作者報(bào)道了利用冷凍電鏡解析高分辨率蛋白酶體19S調(diào)控復(fù)合體在結(jié)合組裝伴侶p28的自由態(tài)的三維結(jié)構(gòu)及26S全酶組裝的變構(gòu)選擇機(jī)理，共12個(gè)19S調(diào)控復(fù)合體相關(guān)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，包括4.5-?調(diào)控顆粒（RP）的非AAA亞復(fù)合體結(jié)構(gòu)以及7個(gè)不同構(gòu)象的Rpn-p28-AAA結(jié)構(gòu)，闡釋了組裝伴侶蛋白Gankyrin/p28在蛋白酶體組裝過程中構(gòu)象選擇的組裝機(jī)理。2018年4月，該課題組又報(bào)道了6個(gè)ATPγS結(jié)合狀態(tài)下的26S動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)CP開放態(tài)對(duì)應(yīng)的亞穩(wěn)簡(jiǎn)并態(tài)近原子分辨（4~5 ?）結(jié)構(gòu)。這些工作系統(tǒng)揭示了蛋白酶體的基本架構(gòu)、組裝原理和內(nèi)在運(yùn)動(dòng)行為，但由于缺乏蛋白酶體與底物之間的相互作用，人們對(duì)于蛋白酶體如何實(shí)現(xiàn)底物降解的原子水平工作機(jī)制仍一無所知。此外，盡管冷凍電鏡技術(shù)近年來廣泛應(yīng)用于分析具有動(dòng)態(tài)特征的蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)和平衡態(tài)構(gòu)象，但對(duì)其中間態(tài)結(jié)構(gòu)和非平衡構(gòu)象分析的分辨率水平往往局限在4～6?；蚋?，離真正的全原子水平動(dòng)力學(xué)分析還有相當(dāng)一段距離。
為了真正實(shí)現(xiàn)原子水平的蛋白酶體底物降解動(dòng)態(tài)過程的冷凍電鏡三維重建和動(dòng)力學(xué)表征，毛有東課題組攻克了兩大技術(shù)難題。其一，如何在蛋白酶體完成底物降解之前抓到它的所有可能的中間態(tài)構(gòu)象？課題組發(fā)展了一種新穎的核苷酸置換法，利用ATPγS降低AAA-ATPase激酶水解活性的特點(diǎn)，在底物降解中間過程，通過將ATP快速置換成ATPγS，結(jié)合快速冷凍的優(yōu)勢(shì)，從而撲捉到蛋白酶體在底物降解過程的中間態(tài)。其二，如何在從冷凍電鏡數(shù)據(jù)中分析出更多構(gòu)象的同時(shí)，還把分辨率做到3埃甚至更好？課題組通過多年持續(xù)努力，發(fā)展了多種基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的冷凍電鏡圖像聚類的新型算法，并針對(duì)蛋白酶體的動(dòng)力學(xué)特征，設(shè)計(jì)了一套極其有效的整合了多種算法的多構(gòu)象分類流程。通過這兩套技術(shù)方案的完美結(jié)合，課題組成功解析了人源蛋白酶體在降解底物過程中的七種不同的、但差別甚微的、高分辨原子水平的天然態(tài)構(gòu)象（Native states），完整展示了蛋白酶體從泛素結(jié)合到去泛素化，再到底物轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)過程。與同期在Science上發(fā)表的與底物結(jié)合的酵母蛋白酶體的4.2-4.7埃冷凍電鏡結(jié)構(gòu)相比，該Nature論文不僅總構(gòu)象數(shù)量多一倍，全部構(gòu)象分辨率還高1-2埃。由于Science論文采用了抑制Rpn11去泛素活性的策略，其非天然態(tài)結(jié)構(gòu)中底物并不能真正自由轉(zhuǎn)運(yùn)，所推測(cè)的機(jī)理僅限于底物轉(zhuǎn)運(yùn)這一步，對(duì)于其他三大Nature論文所回答重要問題均無法給出答案。這體現(xiàn)了該Nature論文不僅在實(shí)驗(yàn)方法的原創(chuàng)性上和數(shù)據(jù)分析水平和質(zhì)量上，更在科學(xué)發(fā)現(xiàn)和問題探究的深度和廣度上大幅超越了來自Science的競(jìng)爭(zhēng)性論文。
圖一 七個(gè)利用冷凍電鏡解析的精細(xì)原子結(jié)構(gòu)完整揭示了從泛素識(shí)別、去泛素化反應(yīng)、轉(zhuǎn)運(yùn)啟動(dòng)和持續(xù)降解的核心功能動(dòng)態(tài)過程。
作為整個(gè)蛋白酶體的動(dòng)力來源與運(yùn)轉(zhuǎn)核心，AAA-ATPase激酶分子馬達(dá)展現(xiàn)出了三種不同的核苷酸水解協(xié)作模式，6個(gè)ATPase亞基協(xié)調(diào)工作，交替與底物發(fā)生相互作用。在去泛素化過程（EB態(tài)）中，處于對(duì)立位置的兩個(gè)ATPase亞基Rpt2與Rpt4水解ATP，而Rpt5與Rpt6則釋放ADP，ATPase內(nèi)的底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道被打開，使得底物可以進(jìn)入軸心通道；與此同時(shí)，去泛素化酶Rpn11亞基與泛素及底物發(fā)生相互作用，執(zhí)行其作為去泛素化酶的功能；在轉(zhuǎn)運(yùn)起始過程（EC態(tài)）中，相鄰的兩個(gè)ATPase亞基Rpt1與Rpt5會(huì)同時(shí)水解ATP，調(diào)控顆粒（Regulatory Particle，簡(jiǎn)稱RP）發(fā)生大規(guī)模轉(zhuǎn)動(dòng)并釋放泛素；在底物去折疊與轉(zhuǎn)運(yùn)過程（ED態(tài)）中，三個(gè)相鄰的ATPase亞基會(huì)分別同步進(jìn)行ATP的結(jié)合、ADP的釋放與ATP的水解，這一過程會(huì)單向傳遞下去，將ATP水解釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使得相應(yīng)的ATPase亞基發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)底物的去折疊和單向輸運(yùn)，同時(shí)CP的轉(zhuǎn)運(yùn)通道入口打開，底物被送入通道中進(jìn)行降解。這些研究結(jié)果為幾十年來對(duì)蛋白酶體功能的研究提供了寶貴的第一手原子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息，對(duì)于理解生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的降解過程和一系列負(fù)責(zé)物質(zhì)輸運(yùn)的ATPase馬達(dá)分子的一般工作原理具有極為重要的科學(xué)意義。
課題組博士后董原辰與博士生張書文為本論文的共同第一作者，毛有東為通訊作者。該論文的全部冷凍電鏡數(shù)據(jù)在北大電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室和冷凍電鏡平臺(tái)上完成采集，大部分?jǐn)?shù)據(jù)分析工作在北大高性能計(jì)算平臺(tái)上完成。該論文的發(fā)表標(biāo)志著北大冷凍電鏡平臺(tái)的建設(shè)后來居上，在數(shù)據(jù)采集效率和成像分辨率等各方面，已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，具備了相當(dāng)?shù)膰?guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家青年千人計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、美國(guó)Intel公司并行計(jì)算研究基金、美國(guó)國(guó)家健康研究院、Edward Mallinckrodt基金會(huì)的資助。
相關(guān)資料
Nature論文在線鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0736-4
相關(guān)論文在線鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-03785-w
http://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(17)30409-4
