26S 蛋白酶體是真核細胞內(nèi)負責蛋白質(zhì)降解的主要分子機器, 通過特異性降解目的蛋白質(zhì), 幾乎參與了生物體的絕大多數(shù)生命活動。近期清華大學(xué)生科院施一公教授與另外一位學(xué)者發(fā)表了關(guān)于這一重要蛋白酶的研究進展綜述，回顧了近幾年在 26S 蛋白酶體結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的重要進展, 并展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)。

蛋白質(zhì)的生成和降解是生物體內(nèi)最基本也是最重要的新陳代謝過程, 參與了生物體內(nèi)幾乎所有的重要生命活動. 蛋白質(zhì)新陳代謝異常與癌癥、老年癡呆癥等許多惡性疾病直接相關(guān). 在生物體內(nèi), 負責蛋白質(zhì)合成的分子機器是核糖體, 近年來, 一系列核糖體原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)相繼被解析出來, 極大地促進了人們對蛋白質(zhì)合成分子機制的理解與認識. 同核糖體相比, 生物體內(nèi)負責蛋白質(zhì)降解的分子機器 26S 蛋白酶體的研究相對滯后, 尤其是迄今為止尚未獲得其全酶原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)。

26S蛋白酶體在結(jié)構(gòu)上可分為 19S調(diào)節(jié)顆粒和20S核心顆粒兩部分. 19S調(diào)節(jié)顆粒負責識別帶有泛素鏈標記的蛋白質(zhì)底物及對其進行去折疊, 并最終將去折疊的蛋白質(zhì)底物傳送至20S核心顆粒中進行降解. 由于26S蛋白酶體的結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜, 分子量十分巨大, 現(xiàn)有的X-ray技術(shù)和NMR技術(shù)對其完整結(jié)構(gòu)的解析都無能為力,僅能解析出部分單個蛋白成員或分子量較低的亞復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu). 而冷凍電鏡技術(shù)在相當一段時間內(nèi)處于發(fā)展的初級階段, 導(dǎo)致其三維結(jié)構(gòu)的研究進展曾經(jīng)十分緩慢, 嚴重阻礙了人們對其結(jié)構(gòu)和功能的了解.

近年來, 隨著在X-ray技術(shù)領(lǐng)域?qū)Υ蠓肿訌?fù)合物結(jié)構(gòu)解析的經(jīng)驗積累和冷凍電鏡技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)革命, 完整的 26S 蛋白酶體三維結(jié)構(gòu)解析取得了飛速的發(fā)展.

在 26S 蛋白酶體中, 20S 核心顆粒的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定, 因此, 20S 核心顆粒的晶體結(jié)構(gòu)及其與不同抑制劑復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)相繼被解析出來，此外, 采用 X-ray 所能解析的主要為單獨的蛋白質(zhì)成員或者低分子量的亞復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu).

2012 年, He 等人報道了來自釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的 Rpn2 晶體結(jié)構(gòu). 結(jié)構(gòu)顯示, Rpn2 上的 PC repeat(Proteasome/cyclosome repeat)形成了一個獨特的的封閉環(huán)形(Toroid)結(jié)構(gòu), 并發(fā)現(xiàn)其 C 端 925-945 是與 Rpn13 相互作用的位點.

同年，來自于黑腹果蠅(Drosophila melanogaster) Rpn6 的晶體結(jié)構(gòu)以及來自裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)的Rpn12晶體結(jié)構(gòu)相繼被報道出來.此后2014 年, 來自美國和德國的兩個研究組相繼報道了 lid 中執(zhí)行去泛素化酶活性的 Rpn8-Rpn11 二元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu).

從技術(shù)上來說，相比利用 X-ray 技術(shù)解析的晶體結(jié)構(gòu)方面進展, 冷凍電鏡技術(shù)近年來的技術(shù)革命大大推動了 26S 蛋白酶體全酶的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究. 近年來不同研究組利用冷凍電鏡技術(shù)解析了完整的 26S 蛋白酶體在不同狀態(tài)下的近原子分辨率三維結(jié)構(gòu), 包括核酸結(jié)合的不同狀態(tài)以及是否有底物結(jié)合的不同狀態(tài)。

作者指出，自26S蛋白酶體被發(fā)現(xiàn)以來, 鑒于其在眾多生命過程中的重要作用以及與疾病的直接聯(lián)系, 人們希望盡早在分子水平上了解其行使功能的分子基礎(chǔ). 為此, 近 30 年來, 科研人員紛紛對解析其三維結(jié)構(gòu)進行著持續(xù)不斷的努力. 迄今為止, 雖然尚未解析出原子分辨率完整的 26S 蛋白酶體的三維結(jié)構(gòu), 卻用X-ray技術(shù)解析了原子分辨率20S核心顆粒晶體結(jié)構(gòu), lid 亞基中的 Rpn2, Rpn6, Rpn8/11 晶體結(jié)構(gòu)以及 base上的分子伴侶與相應(yīng)Rpt片段復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu). 利用三維冷凍電鏡成像技術(shù)解析了低分辨率的 lid 亞基三維結(jié)構(gòu), 并將完整26S蛋白酶體三維結(jié)構(gòu)的分辨率提高至 6.7 Å, 已經(jīng)無限靠近原子分辨率.

而近年來隨著三維冷凍電鏡成像技術(shù)領(lǐng)域的革命, 包括冷凍電鏡的自動化、 直接電子探測技術(shù)以及高性能圖像處理技術(shù)的應(yīng)用, 26S 蛋白酶體在原子水平上的三維結(jié)構(gòu)神秘面紗即將被揭開.

此外, 26S 蛋白酶體執(zhí)行功能的分子機制研究目前仍進展緩慢. 如蛋白質(zhì)底物是如何被 26S 蛋白酶體識別的? 泛素鏈標簽的剪切是何時發(fā)生, 又是如何進行的? 19S 調(diào)節(jié)顆粒是如何實現(xiàn)對蛋白質(zhì)底物的去折疊及轉(zhuǎn)運的? 與 26S 蛋白酶體相互作用的泛素受體和 DUB 是如何調(diào)控其相應(yīng)功能的等等? 這些問題的解決, 都需要結(jié)構(gòu)生物學(xué)的參與. 在冷凍電鏡技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生革命的今天, 可以預(yù)計, 在分辨率逐漸提高的情況下, 通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段捕捉相應(yīng)的分子運動過程的不同構(gòu)象, 進而推斷出相應(yīng)的分子機制也已經(jīng)指日可待.