蛋白酶体是细胞中用来调控特定蛋白质的浓度和清除错误折叠蛋白质的主要机制的核心组成部分，是细胞中最普遍的不可或缺的大型全酶超分子复合机器之一，也是迄今为止发现的最大的蛋白降解机器。

北京大学物理学院/定量生物学中心毛有东课题组致力于新兴冷冻电镜技术方法的发展，将之用于结构生物学、生物物理、化学生物学、药物设计等重要学科领域的前沿研究。近期这一课题组接连在Nature，Nature Communications杂志上发表文章，揭示了人源蛋白酶体26S的三维动态结构和作用机制。

人源蛋白酶体全酶包含至少64个亚基，由盖子 (Lid)和基座(Base)亚复合体组成的调控颗粒Rp(Regulatory particle)所激活。2016年，这一课题组与其合作者在pNAS报道了人源蛋白酶体的基态近原子分辨的冷冻电镜结构，以及三个亚纳米分辨的Rp-Cp亚复合体亚稳或过渡态的共存结构，并首次发现其中一个亚稳态构象的Cp的底物转运通道处于开放状态。

在此基础上，今年这一研究组又利用他们自主开发的基于统计流行算法的高性能计算软件ROME（见pLoS ONE 2017, 12:e0182130）与优化的冷冻电镜处理方法，对ATp-γS结合状态下的人源蛋白酶体的全酶冷冻电镜单颗粒数据展开了深入分析，得到了6个共存的动态结构，其中包括3.6埃分辨率的基态结构，3.5埃的开放态Cp结构，和三个Cp开放态对应的亚稳简并态全酶4.2埃，4.3埃和4.9埃的结构。

另外两个中间态结构分辨率为7.0埃和5.8埃。三个Cp开放态对应的全酶结构的主要差别在于位于Rp的AAA-ATpase激酶马达模块，伴随其不同的构象变化，至少有四个ATp-γS分子稳定结合在不同的AAA-ATpase亚基上，为其在不同核酸结合状态下形成的非稳定动态构象提供了重要证据。

这一研究首次观察到位于AAA-ATpase激酶马达模块中心的底物转运通道呈现从螺旋到鞍形不同的拓扑结构变化，为进一步分析底物和蛋白酶体全酶的相互作用奠定了重要基础。

同时，近期在Nature发表的最新文章中，研究人员解析了人源蛋白酶体26S与底物相互作用时，分辨率高达2.8-3.6Å的七个构象状态，全面揭示了多泛素化蛋白质的分解过程。

这些结构帮助我们了解了从泛素识别到底物易位的动态底物-蛋​​白酶体相互作用，在此期间ATp水解依次导航通过所有六种ATp酶。

研究人员观察到三种主要的协调水解模式：两个相对定位的ATp酶，两个相邻ATp酶，以及一次一个ATp酶中的水解事件。这些水解模式分别调节底物的去泛素化，易位起始和过程解折叠。ATp水解为每个ATp酶运动提供动力，调节其底物相互作用。三个相邻ATp酶中ATp结合，ADp释放和ATp水解的同步化能驱动底物结合的ATp酶刚体旋转，ATp酶环中单向增殖，解折叠底物。

这项研究为进一步分析底物和蛋白酶体全酶的相互作用提出了新见解。

原文标题：

Cryo-EM structures and dynamics of substrate-engaged human 26S proteasome