合作揭示哺乳动物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶体的结构及激活机制

内容来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台

2021年2月2日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了国家蛋白质科学研究（上海）设施用户中科院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）丛尧团队与蛋白质设施质谱系统彭超博士的合作研究论文“Cryo-EM of mammalian  PA28αβ-iCP immunoproteasome reveals a distinct mechanism of proteasome activation by PA28αβ ”。该研究首次解析了哺乳动物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶体的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了激活因子PA28αβ结合并激活免疫蛋白酶体的独特分子机制，为深入理解免疫蛋白酶体的底物降解机制提供了结构基础。  

核细胞中的蛋白质降解超大分子机器–蛋白酶体，参与调控诸多的生物进程，其功能异常与癌症、神经退行性疾病、免疫疾病等密切相关。免疫蛋白酶体是能够调控炎症因子、参与MHC-I抗原提呈路径的一类特殊蛋白酶体。已经在包括恶性肿瘤，自身免疫和炎性疾病在内的多种疾病中检测到免疫蛋白酶体的过表达。执行底物降解的蛋白酶体核心颗粒（CP）的活性受到可结合在其末端的一系列激活因子的调控。激活因子PA28αβ通过与免疫蛋白酶体核心颗粒（iCP）的结合，来调节可能产生的抗原肽的模式，在MHC-I类抗原呈递中起重要作用。然而，由于PA28αβ-iCP复合体的动态性及易解离性等，至今尚无哺乳动物PA28αβ-iCP免疫蛋白酶体的完整结构。因此，PA28αβ如何激活免疫蛋白酶体进而调控底物降解的分子机制亟待阐明。  

研究人员首次解析了哺乳动物PA28αβ-iCP及iCP免疫蛋白酶体的近原子分辨率冷冻电镜结构（图A）。结合交联质谱分析，揭示了PA28αβ与iCP的相对空间排布（图B）。PA28αβ-iCP结构显示PA28αβ稍微向iCP环的α3-α4亚基一侧倾斜，干扰了关键门控亚基α2/3/4的变构调节网络，导致iCP门控的部分打开。发现异源七聚体PA28αβ对iCP的结合和激活机制与同源七聚体TbPA26及PfPA28，或19S对CP的结合和激活机制相关但不同。这表明蛋白酶体核心颗粒已经进化到足够复杂，可以使用同一套变构网络从多种激活因子中获取并协调各种降解信号，精准调控蛋白酶体降解的底物及产物类型，进而参与各种复杂的生理过程。研究人员提出，非ATP依赖的激活因子PA28αβ可能通过与iCP结合/解离的模式（on-and-off mode）来调节iCP门控的打开和关闭以及底物降解，该机制也可能被其它非ATP依赖的蛋白酶体激活因子采用。因此，在进化过程中，激活因子的生理功能及底物的复杂性决定了蛋白酶体激活因子的结构复杂性和CP的门控调控机制。此外，还发现在免疫催化亚基和普通催化之间的保守差异，有助于阐明普通蛋白酶体与免疫蛋白酶体的酶活差异，为发展免疫特异性抑制剂提供分子基础。  

该研究首次解析了哺乳动物PA28αβ-iCP的完整结构，揭示了PA28αβ激活免疫蛋白酶体的分子机制，为深入理解PA28αβ调控免疫蛋白酶体底物降解机制及发展免疫蛋白酶体抑制剂提供了重要结构基础。  

国家蛋白质科学研究（上海）设施规模化蛋白质制备系统为样品制备提供支持；电镜分析系统为样品制备、数据收集及处理提供了强有力的技术支持和机时保障。质谱系统利用交联质谱分析揭示了PA28αβ与iCP的相对空间排布，为PA28αβ-iCP的结构解析和功能阐释提供了重要的支持；数据库与计算分析系统为该研究提供了稳定的计算平台及环境，保障海量数据计算的快速产出。   （A）免疫蛋白酶体PA28αβ-iCP及iCP的冷冻电镜结构，PA28αβ即可以结合在iCP的一端，也可以两端同时结合；（B）PA28αβ与iCP的相对空间排布；（C）PA28αβ-iCP复合体中PA28αβ与iCP的相互作用界面，其中插入iCP环的PA28αβ的C末端尾巴由青色密度表示；（D）PA28αβ结合并激活iCP的分子机制示意图。