26S蛋白酶体的结构生物学研究进展
中国学科 :命生学 SC科INEIT SINIAC VAite 评a述
20 4 1
年第4 4
第卷 0 1: 期65 ~9 97 life4sc.ihcnai.om
《中国科c》学志社杂S
CINCE EHICA PNERS
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wsc.chiia.conm
中国知名大
学研及院究所专
栏清大华专学
辑2
6S 白酶体蛋结的构物学研究生进
展王丰 施一公*,清华大
学命科生学院学 ,华清学医学大, 院教育部蛋白质点重验实,室清华 学大北-京学生大科学联命合心中,北京 联系*人, mEial:[email protected]收稿 日:期 014-0921-2 接;日期: 2受04-01-26 9国自家科学基然金 批准(号 3:1103002, 1334002,03 1001524 3114,0022, 1237704)6资项助目d o:i 01.316/0502140-12610 004
8
摘
要
6S 蛋白酶体2是核真细胞内责负蛋质白降解主要的子机分, 通器过特性异降解的目
蛋白
,质几 乎与参了生物体的大多数绝生命动. 活26 S蛋白体酶结构在上分为可 1S9 调节粒 和颗 2S0 心核粒两部颗.分1 9S 节颗粒调负责识别带有泛链素标记的白质蛋物底及其进行去折对 ,叠 最并终去将折叠的白蛋质物传底送至2 0S 心核颗中进粒降行. 由于 2解6S 白蛋体的酶结 构成复杂组,分 子量分巨十大 现,的 有-Xra 技术y 和NM 技术R对其整结构的完析解都能无为力 ,能解仅析部出单个分白成蛋或分子量员较低的亚合物复晶结构体. 而冻冷镜技术电相在当 一时段内间处于展的发级阶初, 导段致三维结其的构研进究曾展十分经慢,缓严 阻碍重人了 对们结其构功和的了能. 解年近来 ,着在 X随ray -术领域对大技子分复合物构结解的经验析累积和 冷冻电技镜术领的域术革命技 ,完整 26S 蛋白的酶三体结维解析取得构了速的飞展.发本 文 顾回了近年在几 62 S白酶体蛋结生构学领域的物要重进, 展并展望了领该域来未发的展及面临的挑 .
战
键词 2关S6蛋 白酶 结构生物体 冷学冻镜电X- ray 体学晶
蛋
白的质生成和降是生物体解最内本也基最 重要的新是陈谢过代 ,程 参与生物体内几乎了有的 重要生命活所 [动~31] .蛋白新质代陈异谢与癌常症、 老痴呆症年许多恶等性病直接疾关相4~[6].在 生物内体 负,蛋白质合责成的子分机是器核糖体 近,来年, 系一 列核体原糖分辨子率三的结构维继相被解出析来 , 极地大促进人了对们蛋质合成白子分机制理的与 解识 [认]7 同.核糖体比相, 物生体负责蛋内质白解的 分降机子器 26S蛋 白酶体的研究相滞后 , 对其是迄 今为止尤未获尚其得全原酶子分辨率三的结构 维 严 ,阻重碍人了对们蛋质降解白程的认过[3]识.
1
2
S6 蛋酶白体的成单组及元生功能
理
197 年7 ,Elitgen 和 Golrdbrg[e8]首次现发细了胞内存在 TAP 依的赖白质降蛋解象现 后来, Cicheaonerv 等人[]发9泛素现通标记过蛋质底白参物 与了一这 TPA 赖依降的过解(程 图1.) 986 年1, Taakn a等[10]人在鼠大
肝脏鉴定并中纯化了 6S 蛋白2体酶 重的组要部成—分0S 核2心颗.粒随后 ,axmanW 人[等1] 在1兔子网的红细胞织裂解中发液了 26S 现蛋白体 酶和20S 核颗心. 几乎同时,粒H ogh u人等[21]在也子 兔网织红的胞裂细液解发现中了 2S 6蛋白体和酶 02 S核心粒.颗2 S6 白酶蛋体酶由全少至 3 3不同个蛋白
引质用格式:王丰 ,施一公 .26S蛋 白酶的体构结生物学研究进展. 国中学科:生 命科学, 210,44 4:965–97 4 Wnag ,F hiS YG . Pogrrse si nsrutctrul abiolgyo f 26S oropetsaom.eSCI NTEIA ISNCIA Vtai,e2 104 44: ,965–74,9do i:1 .0163/002054-116
2
王等: 26S 蛋丰白体酶的构生结物研学究展
图1
进
泛介素导蛋的白酶降解体路通
利 ATP 水用提解供的量, 能泛分子首素结合先 E到1泛 活素酶上 被化活化 再,由E 1传 给 递2E泛 结素酶合. E3 素连接酶泛同时结能合 蛋白底物质 E2与泛 结合酶素,并 不促使断E2 泛素结合酶 上的泛 素子转分到移蛋质白物上底 .通这过的样方, 连接了一定长度泛素式链的 底最终会物蛋白被酶体别并降识解
成员成构, 结构在由上1 S 9调颗节粒 2和S0 核颗粒 两个心亚合物组成(图复2A) .91S调节颗 的粒主作用是识别带要泛有链标素 签蛋的白质底,物并对其进行去折 ,叠 最并终将折去 叠的白蛋底质传送物至 0S2核心颗粒 中进行降解. 19 S调 节颗由粒至少19 个白蛋成员成,构 通过化生 分离法可方一步分进为lid ba和es 部两[分1]3图 (C, D).2研 发现究, l di 主的功能是要在白蛋底物降质前将解 泛链素蛋白从底质物剪上掉以切收回再利次用(去 泛素化)1[4~8].1li 由 9d个蛋白成 构员成,分别为 pRn3,
R
n5,p pn6, Rpn7R ,pR8n,R pn, R9np1, 1Rpn12 R和p1n.5 pRn8R-n1p1二 复合元物一是种去素化泛 (酶Dubiquetnaie, DsB), 是 Uild 执去行素化的泛功单 位. 能Rpn 和8R p1n1 在结构上含有均 pMn(Mp1rP-ad1N-etmrnai)结构l域. 中其R n1p1具 去泛素有化活酶性位点 ,pnR8 作 为pn11 的R助辅蛋发白挥用作. 外此 除 ,了R n1p5 ,其 6他个 Rp n亚 基 均 含有PCI p(oreasome-tCP9O/isnglasooem-eI3)F 模 块 ,能可为作 脚手架角发挥色作用 3,[9,12].0 asb e的要主功是能用利AT P水提供能解量, 对 掉泛素链的蛋切质底白物进行 去叠折转并至 运02 核心颗S粒进中行解. 降在构 结 上abs e 1由 个0蛋质白成员构成, 别为 分Rnp1, Rnp2 R,pn10, Rpn31及 Rpt, 1Rtp2 ,pR3t, Rp4, tptR5 Rp,6. t其中Rp 1-6 为tA AA蛋+超白家(族ATases Passoiatcde iwt vhariou cellsuarla tcvitieiss upreafily)成m员 在,结 上形成构一了个六体聚功的单位,能 是解水 AP 提T供 能量蛋、质白物底去叠折及转的运场[21]所. 外 4另 个蛋中白,Rp 1n和 pR2 作为脚手架角n发挥作色用,Rp 10 n R和pn3 1则作是为素泛受的发挥作体.用20 S核 心粒颗由 82个 蛋白成员构成质 ,共有 4层结构, 分别
由两1层, 2, 3 4,, 5 ,6和 7 组成 外的环两层由1和, , 2,3 , 54 6, , 7组成的环
内图2
2S6蛋 酶体组织白结构意图示
A: 2
S6蛋白 体电镜结酶构(EM-21D56; ):B2 S6 白蛋体局酶部大放结构, 有 1 个 1含S 调9节亚及半基个 2S 0核亚基心 ;C: aseb亚复 合物结; D构:lid 亚 复物合构; 结:E半个 2 S0 核亚基结构心
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6
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中
国科学 生:科命学
0142 年
第 4
卷
4 第10 期
构图 成A, E2. )中位其于环内的,1 2, 5具备蛋白 降 活解 性,是执行蛋 白质降解场的所[3,2 0.]由于 有没底 特物性, 异论上理 0S2核 颗心几乎可降解所粒蛋有 质. 不过,白 独的单 20S 心颗核对细胞粒正常蛋内 不会白构成何任胁威 ,为其因入是关口的闭 ,常具有通 级三结构蛋的白质会被挡在口入外 无法进,入2 S 0 核心粒内部 颗[22. ]有当只与相互作其用调节蛋的结白 合,后 02 S核心粒颗入的口才被打开行使能降功能 (解以下 一过程这被之称为“ 激 活”). 前目现能发活 激20 S心颗粒的调核蛋节至少白 4 有个 1:S 1Ca(pPA82),B m10lP(20A), 190S 节调粒及颗 Cc4d8也(称P9 7. ) 系列研一究显,示11S aC(pA2P)和 8lB1m(PA2000)活 20激S核心颗粒 降解蛋质不需要白水 AT解P 供能量提 ,能识别并降不泛素链解标记的白蛋底质物 , 其物 底能可一些是没有构结的蛋质白[,11,93,224.]而 1S 调节9颗 粒和 DC48 C激在活20S 核心粒颗后 ,需要在 APT水 解供提能量帮助的去折下蛋白叠质底并将物传 送到 20之S 核颗粒中降解心 .中其 91 调S颗粒节够能 识别素泛链记标的蛋白底物,质 而C c48(也称d P97的)生理底物 目前尚不清[楚1,52~72.
]2
6S2蛋白 体的酶装
在组原细胞核, 蛋白酶体的中成组对相简. 通单 常节调颗为粒相由的单个蛋同质亚基白组成的六体聚 成 [28~31]构 ,而心颗核则由粒一种相另的蛋同白质亚 基组成七的体聚成 构32~[3].4 于组成由单 ,简原核细 胞的调中颗节粒、 核心颗直至蛋粒酶白全体的组装 均酶以自发完成. 相可比言而 ,核细胞真中的 62S 蛋白 体酶组复杂得多 ,成由完全不 同的白蛋亚质构成基. 尤其 b是se 中的a6 个 Rp 分t同源性很高,子 置又位固定 . 因此 , 如任其自果发组势装会发生必基错排 亚.20 S心核颗粒的及环环存也在同相况. 因情,此为 了 避错免组误 装, 真核胞需细要一套子分伴侣帮来助相关 亚基正确位在组装置 2.6S蛋白酶体的 组装是个受多一分种子侣调伴控并且高度 有序的程 .过 先首不分子伴侣同识并 结别相对合应的白蛋酶体基亚, 形不同的成亚合复 物 ,这复合些进而组装成更物一级的高复物合 如 ,19 S节调颗和粒20S 核心颗粒 .终最两个19 调S节粒颗 分别结到合个 2一0S核 颗粒心两的 端, 装成组完整 的26S 蛋 白体酶3[
5,63]
.
酵母细胞在, 20S中 心颗粒核组装起的始于,环 组该过装程要需两种分子侣复合物的伴参与. 它 们 分别是 蛋 白 酶 生 物 合体成 相 关 子 (因rotpeaomes boginesies-asscoiated /21, Pba1/2)和Pb 3/a[4734~2]. Pba3/ 首4先和5 形成了装初组始合复, 从物而募周边 招亚基的 P.ab1/2能 与亚结合基 ,防止同不的基 亚之间成形配的二错复元物合 ,从而避 免装过组因 程配错而终[止93].环组 装好后之, 亚基在子分侣伴泛 素导的介蛋质白水蛋解白 1(bu-edmated pirtooeyslisp ortein1, mpU1的协)下, 助以为模环组装板成环. 2首 先会合在结环, 上同时Pb a34/ 环从离下解来,然 3后 ,, 4, 56 及1依次加 , 入7 最后加入. 如 就此形了环成环复-物(合2S 核0颗粒心) .在7 加的入后 ,其 C 端 过通嵌相入对环的1和 2 亚基之促间 两个 使组环 ( 即装半白蛋酶体的聚化 二.)此外 , 有 化能力的催亚基(, 12 ,5)和没有化催力能的6, 7亚合基时成 端带有前导肽N ,在装组的后最一步 被切除 暴,露出1, 2和5 执的行催化功的苏能氨酸 残基 . 之总, 在半白蛋体酶正确二聚之后 ,前导 被 切 肽 除, mp1U被 降 解 , 同 时 蛋白 酶体 成 熟 , 后 然Pba-Pb12 a降被[解4].3与 0S2核心 粒颗的装组类似 ,91 调节颗粒的S组 也需装分子伴要侣的助协 .前已目发 现4种分 子伴 侣与参到 asb 的e组. 装它们分是别Hs 3m, Ns2a, Ns6a ,和 Rpn41 ,们在哺它动乳物的中源同白蛋分别 S5b是,p 7, 癌锚蛋白 /2p8 2和白酶体关联蛋因 子(1APFA1).这 4 种分 子伴侣分与其相别的亚应结合,基形 如下成 复的合: 物Hm3-Rpst1Rpt-2R-p1nHs(3 模m块),R np14Rtp6-Rp3tNas6-Rpn(1-Na4s 模6 块), R p4t-pR5tNa-2s (Nas 2模)块44[~8]. 4as2N 块会模先 与pRn14-Ns6 模a 块合结一起, 在pnR,2Rpn13 依次加,入 Hm3 模块继而 s合上整, 终最组完成的 整bsae 复体合[2]1.在 base 与 02 核心颗S结合的粒过中程 2,0 核S颗粒心通与过分子 侣竞争性伴结合ba s, e使帮得 ba助se组装 的子 分伴侣以释放得[4]9 .同20 S核心 粒及颗bas e的组 过装相比程,人们 对li d组的装程了过解还不够的入.深至 今未尚现 发特性异参该与装过程组的子伴侣.分有文 报道 H献sp90可能 在装组程过发中挥定的一作,用 实验但 果并结十不分靠可[5 ]0. 目 已前知的装组程过始于个两 次级合体的复成形 : Modlue1(Rpn56//8/91/1 ) 和ld piratice l(3PL3, pnR/3/751. Mo)dlue1和 LP 进3组成而9
7
6
王
等:丰 2S 6白蛋体酶结构的生物研究学展进
P2L(Rnp/53//67//8/11)9,最 随后 着Rpn21 的加入,li 复d体合装组完[51].
成
3
晶体构方面的结究进研展
20S
核颗粒结构心上非稳定常, 相 之比 下, 91S 调颗粒节由于具有A P 水解T活性,结构上 很不稳. 定据根
原核细胞 的Rp 同源蛋白tCl p 的X系列究研 人,们 测, 推在A T P结合和解过程中 水 个6R p 分子t可能 处于不同核酸结合状的,态有 的R pt 子分结 合TPA,有 的pR t子分结合 DP, 有A的 Rtp则有 能可么都什 结不[3合152,5,3. ]此因获构得象均一 的91 S调颗节的组 粒十分分困难 严,阻碍重了其体晶学冷冻电及结构 镜研究的.迄 今为止, 有关所 19于 S节颗粒调者完或 整的 2S6 白酶蛋的体体晶尝试均未学得成功.获而冷冻 电镜技术在 2S 蛋6白体发现后酶相当的一长时间段 发展缓内, 严慢阻重了碍们人用利对 26其S 蛋白酶体 构结和能的研究. 功年来近,随 发生在着冷冻电镜 领的域技革术命,19S 调节 颗粒至甚整完 的62 蛋白酶S体 维结构解三取得了飞速析的发展. 在26 S蛋酶体中, 白2S0核 颗粒心的构结对稳相定 ,因,此 2S0 心核粒颗晶体的构及其结不与抑同制 剂合复物的体晶构相继被解结出析 [来5~54]( 9 图A).
3此
, 外用 采X-ray 所解能的析主要单独的蛋为白质 成或者员分低量子亚复的合物体晶结.构20 12 年, He 等 [6人] 0报 道了 来 自 酿 酒酵 母Sacc(ahroycesmc reviseaei的 R)pn 2体晶构结图 (B)3.结 构示显 Rp,n2上 的 PC rpeaet(Portaeome/sycloscmeor peeat 形成)了一独个特的的封环形闭 (Toori) d构 结,并发 其 C 端现 295945- 是与Rp 1n3相 作互的位用点 2012.年 ,来于自腹果蝇 (黑rDoopshliame alognaser) tpn6R 的 晶 体 构 [结1] 6以及 自来裂 殖 母 (酵chizoSaccshroaymesc opbe)m的Rp n2 晶体结构1[2]6相继报被 出来道图 (C,3G . )pRn 6和R pn1 的结构中2均有 含CI P模,块其 N 端 为由螺-重旋序复列(h-eilaclre pea)t 成形的TP R-ike dlmaino(etrtaricopetpie redpeat lski doeman)i , 随后 是 典 的 型HW结 构 域 (ingwde-hlei xomdan)i.同 Rp n6相 比, Rn12 p 的 N TP端-lRki edoman 略短[i62. 将]R np 的晶6体结构合到 26拟S蛋白 酶体的 镜结构中, 发现 Rp电n 6 与20S核 心粒上的 2颗及 abs 上e R的pt6存在 间空的直上联系接 ,暗示 其稳在 定1S9调节颗粒和 2 S0 核颗粒心发中重要相互挥作用 61[] .012 4年, 来自美国德国的和个研究两组继相报 道 l了id中执 行泛素去酶化活性的 Rpn-R8p11n 二 元合物复的体结晶[构16,17(] 3图,E F). pnR1 1是种一金属
图3
部分已得解析获 26的 蛋S酶白亚基的体晶结体构
A: 2S 核心0基亚S(cacarohmcye secevrsiae,i PDB:3MG6;) : RBn2p(aSchcromyace csreeivsia, PeB:D4 DYA) C;: Rp6(nrDsoohilapm leaogasten, rDPB 3T:XM; D):Rpn10 (Schizoscahacroycems ombp,ePD B2X:N); 5E: pRn8-1(1Saccarohymcescere isiaev ,DPB4:OY8); F :pRn-811S(achcraoymce secerisvie, aDBP:OC4L; ): GRnp21(chSiosacchazrmocesy pmoe,bP B:DB04Z); : RpnH31(Msum sculus, PuBD:2R2Y)
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中国
科学:生 科命
学214 0年
第
44卷
第0 期
1去泛
素化, 酶 26S 是蛋白体酶中责负切剪素链的唯 泛一白亚蛋
基. 究发现研,h Rnp11 肿在瘤细胞脱逃肿 瘤抗药作物用时生了发过表达6][ 联合使, Rp用11 抑制 剂和n GFRE 制剂抑有可效抑制非球小胞肺癌细的 化恶[63] ,暗 Rpn1示1是一个非常重要的药 治疗潜在 靶物点.但由于 R n1p1很 纯化, 难致导对其行生进物化学和结 构物学的研究生无法进行下去 ,严阻重碍了对 抑制其剂发的及现物药发 开 两.研个组经究过 量大试尝,最终通 对过R pn 8 Rpn及11 部分的序进行 删列 除 获得,了大可用于量晶生体以长及生研化究的R p8-npnR1 二1 元 复 物合 , 解并析 了其 晶 结体 .构R n8-Rppn11 合物晶复结构可以体很的好拟合在 62 蛋白S体酶冷的电冻镜构结 中[16, ]表这两个晶体明结构与 天然构是一象的致 结构分.显示 ,析Rp n 8和Rpn 11是典型的 有含 PN M结域构蛋的质白,Rpn 1 结 1构与已经道的报AMS -LP H基一本[致1],7只是 pn11 的催化R活性心缺中少个几保的关守特征 键,这些 关特键主要征责负合泛素结底及物稳异定键肽便于 切割. 首先以,R p11 n上缺一少个重的芳香要氨族酸,基该 基氨酸被认为是和泛上素 Ile44 ptahc相 互作.用此 外, 已同的同源 DU知B 比, 相Rp1n 1的 中nsI 并2不保守 ,没 有参与定稳物与底泛链素间的异键肽 却与 ba,s e上的 Rnp 2着直有的相互作用接 这,可是能了 为助 帮pR11n 锚在 2定6 蛋白S体上. 酶总,之 pnR11在 结上并构没显现出与有已保守的 知DU B完全似相 特征的, 与先这的研前究果比结一致,较 即Rpn1 自己 不能对带1泛素链的有蛋白质物进底行去泛化 ,素这 过一必程须依于赖在b sea 发上的 ATP生 解水驱动 去的叠及折运转能实现[16,才71].此外 , 组在装程中过的子伴分及其底物侣的晶 结体构动了推们人对26S 蛋 白酶组体机装的制认识
H.s3mR-tp1,C Nsa-R6tpC3, aN2sN-Rpt5 等复合物晶 体的构于结 图 4中显示.H sm, 3aN6s和 aN2s N都是通 过合结相在应R tp 的C 末尾端, 避巴免应 Rpt相 亚在 基组装发时生配错沉或淀 64[~6].6此 外, R pn1 4相和应Rp t 分的子体晶结尚构未报道见,目 前仅 有pnR14的 晶 体结构道[67,6报]8.
4
冷
电冻方镜的面研究展
进相
比用 X利-ra y术解析技的体结构晶方面展进,冷 冻电技术镜年近来的术技命革大推动大了2 S 蛋6 白体酶酶全结构生的物学究 研.近年来不同 研组 究用利冷电镜冻术技解析完了整的 26S 白蛋体酶在不 状态下同近原子分的辨三率结维 构 包括核,酸结合的不同 态以状是及否有底结合的物不状态 同(图 , 1A2,5). 20 1 0年, Bhon等人 [69]报了第道个亚一纳级米别 辨分的 2率S 蛋白6体全酶酶电的镜结构 .由于分率辨较低 9(.1Å ),这个结构 中部大分基亚位还定够准不确 . 随后 ,Saatka等 [70人]利冷用冻电镜术技定确泛了素 受 R体pn1 和0Rp n13 在26S
蛋白酶上体位置.的随 后, 伴着随冷电镜冻技术的命革.多个研 究组续陆 道报了母酵人和的 91 调节颗S以及粒 6S2 白蛋酶全体 的近酶子分原率的三辨结构. 维Lnade 等r[71]人利用基因 重技术首次组在肠大杆(E菌shecrihca iocl)中表达纯i 化了li d 并将,其酵母和源表内达的 bse 及a 0S 核2 颗粒体外心组 重,制备并解 了完整析的26 S蛋白酶体 三维 构 结( 9Å).利 体用重组外技术操可的特作及 性冷冻镜电技术 Lan,de r等人71[]首次 对ld 各i白蛋成 在 员6S2 白蛋酶中进行了体确精定位, 并揭了示 li d 各组分组的装顺序图 2(). D外,此 anLer 等人d[1]还发现
7图4
协
助 ase 组装的b分子伴侣同 Rt p复物的合体结构
A: Hs晶3m-pRtC1复 物的晶合结构体;B :Na6-spt3CR复合 物的晶体结构; :CN s2NaR-tp 复5物合晶的结构体 D: ;Rn1p 的晶4结构体
996
王丰等:
2 S 6白蛋体的酶结生构物研学进究展
互
用作 ,闭关的核颗粒入心口打被,开导 致心核粒颗可 以纳接白蛋底质并物其对降.解在 Rpt环的 上方 OB 是环, 它们之间的结合并是很紧密不.在 O B上 环方是由 pRt亚 的 N基 端旋结螺构形成的c oild-ceolibund el 相邻的两, R个tp 亚的 基 N端螺旋结可以构形 成一 个 oclidecoi-l bnulde, 因 此 共一有 3 coile个d-oic blundle ,倒立像 的 3个桌腿一, 样指向方. 上pn1R围 在 绕Rp 环t围周,Rp n 2于 b位ase 的方上. 素泛体受Rpn1 0 和 pR13n分别 位 bas于e 方的两上. R侧n10 同 Rpp9n 及 Rpn以-8pn1R1 复物合有相作用, 互pn13 只R同 pR2n有 互相用作 .pnR0 和1 pnR13之间 的 距约离为9 Å0,K 48位连 接四的素泛链先(前究研 认四泛为链是导致素标记白蛋质被白蛋体识酶别的 小最素泛长链度的长度在)间上空以足同结时这合两 个泛受体. l素d i一像手掌贴在只 bsa e一侧的, 得值 意注的,是 pR6n与 2 S 0心颗核上的2 及 粒baes上 Rpt6的 存在相作互,用加强 了base 和20 S心颗粒核 相互作的. Lid 中用的去泛素酶 化Rp11n位 于Rp t环入 口 上的方,这在 构结支上持 了Rnp11的 去泛素化 性活赖依于 Rp t环的A TP 水解性[14活,15(] 图2~DB).在已 道的报核细胞的原白蛋体酶构中 结 调节, 颗粒和心核颗的粒中孔洞处间同一个于直轴垂 上, 样这组的装式使方发得在生节颗调上的粒折去、叠 转运及随后发生以在心颗核上的粒解可降高效完 以成.令人迷惑 是,的 在高辨率分的核真2 S 6蛋白酶体 构中结(AT 结合P态状 简, ATP称)h ,调节粒颗和核 颗粒的心中间洞孔没并位于同一有垂直 ,轴 节调 颗粒的中 B O和环 ATPase 的轴环心在存定角度一倾的斜, 而 A TPaes 和 环0S 核心颗粒的2心轴甚错位至 了10 Å的距 ,离这样 的排列式方然显 2与6 S蛋白体酶 的效降解速率高矛盾 相20[75,] 随后的两.个立独作 揭示工了一谜这
团:(1 ) AT-PS 结状态的合 26S 白酶蛋 体结构7[];9 2( 带有)素泛链标的记白质蛋底物 26S的 白蛋酶结体 构[0]8,在 作(2工中 ,) 者将 作Rp11n的活 性位 点行了进变突, 并加了入个带一泛有链素记标的 GF 蛋P白 经,过段一间时反应后 ,当物底与泛素间 的共键接近价R n1p1活 位性时点 ,于 由pn11 已R经 失去活了, 泛性素不能链剪切, 整个被反应停在这一 状止.态 使用这一办, 法作获得者一了个于处折叠去及降 解过程 中 间态的 2S 6蛋 酶 体白 构 象(substrate negaed sgate)t[0]. 8结分构显析, 示同 AT P结构合象相比 ,论无在 ATP是-S结合状态的 26S 白蛋酶体构
结图
5
6S 2蛋酶体白执行功过能程的构中变象
A化 :底物合结导 致2S 6蛋白酶体轴构中变象化左( E:DM-5686 右: ,ME-5D66)9 ;B :TP A合结程过 中62 蛋白S体中轴酶的象变化(构: 左ED-M5294 ,中: ED-M255,9 :右E MD2-965)
abse 中的 6个 Rtp 白采蛋了一用螺旋阶梯的种式方 排列,这 先前报道的与AA A家+成族的结构排员列 有定一相之处[似317,2,37], 由,此 Ladenr 人等71]提出了蛋[白质 底物过通 bse a中 Rt p中心环孔转运洞的能分 子机制可 几.乎同时 ,Laskr 等人[74e] 将2S 蛋白6酶的体 辨分率升提至 8.5Å 很.快 ,Bcek 等人75]将分辨率[继续 升至 6.提7Å 近原的子分率水平(辨 图A)2 .基于这些重要 作, 科工工作学者更们了先正对前 6S2 白蛋 酶体构上的一些结错误解,理实现 对了 26S蛋白酶 全 体分子酶结构组及装式方较为精确的认识, 至已经甚 以较为可确的精确 定6S2蛋 酶白体各蛋白个二中 级结-构螺旋位置. 的从结构上看 圆筒状的, 02 S心核颗位粒 2于6S 蛋白酶体中,间 中间是两环 , 向外两层是层环. 个 一0S2 心颗粒核两在端分别结了合个 19一S 节调颗.粒在 19 调解颗S中,粒 ase 中的 Rbt 环正好坐落p在 0S2 心颗粒上方,核 其顺为序 Rt1/ pRpt/ 2Rp6/tRtp3Rpt4// Rpt, 5与先前报的生道实化验果结一 致 2 [ ]1 .Rt2, Rppt3 和pR5t 的 C端氨末酸基征序特(列HbY Xmotfi) 过插入通相到应 2的0 核心颗粒S环相应的洞中 ,孔 将b sa e核和心粒连颗在一接[起76~7]8 .通过这的相样
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国中学科 生命:科学
012 年
4
44第卷
第
10 期
中
还在底是物合结态状 的62 蛋白S酶结构体, 中节 调颗粒的中OB 环以及 A PTae 环均发s生了转及扭位移,导致 1S9 节颗粒和调 02S核心 颗的粒间中洞恢孔复为 一垂直同心轴图 (5, B)A.暗 A示PT 解或者蛋白质水底 物可诱导这一结能构重排 的 这,蛋白质与物能底 够增强白蛋酶的体功的能生化果结是也合吻[2的,93 ].2由于 2 6S 蛋酶体含有 白 6能个够结并水合 解AT 的PRp 亚t基, 此因在行执功能过程中, 2S6蛋 白体酶 必要经过复定高效的杂构重排结 . 2041 年 Un,ervdobenr等人 8[1利]用冻冷
电镜术技, A对TP及 A T-P 处S理的2 6S蛋 白酶体样品行进了大规的深模度类, 分次发现了首 个1位于ATP 结合 及TP-AS结 中合状间 态的 6S 2蛋白体酶构结(Iternemidat steae)t 在.一结这 中构 b,ase的构象同 A T 结合P态更状为相(似图 B)5,而 li 的d构却同象ATP- S结状态比合一较.致
5展望
自
2S6 白蛋体酶被发现以来 ,鉴其于在众生多命过 中的程要作重以用及与病的直接联疾系 ,人 们希 望早在分子水尽上平了解行其使功的能子分基 础. 为此 近, 3 年来,0科研人 纷员纷解对析三维其结 构参文考
1献 2 3 4 56 7 89 0 1111 2 3
1进行着
续不持的断力努 .今迄为, 止然尚虽未析出解 原分辨子率完的整 6S2 白酶体的蛋维三结 构 ,却 X用r-ay技术解析 了原子辨分率 02S 核心颗晶体结构粒,lid 亚 中的 Rp基2, Rnpn6 ,Rp8n1/1 体结构晶及 ba以es上的分子伴侣 与应 R相t p段复片物合晶体结的.构 利 三用维冷冻电镜像成技解析术了分低辨的率li 亚基d 三维构结 ,将并完 2整6S蛋 白酶三维体构的结辨率 分高至 6.7提Å, 已 无限靠近原经子辨率.分 近而年来随着三维冷冻 电镜成像技术领域革命 ,的 括包冷 电冻镜自的化、动直 电接探子测术技以及性能图高处像 理术技的应,用26S 白酶体在原蛋水子平上三的结 维神构秘面即纱被揭将开.此 ,外 26S蛋 白体酶行功执 的分能子机制究目研前进展缓慢 .仍如 白质蛋物底是 如何被2 S6 蛋白体识酶别 ?的 泛链标签的素剪 切是时何发生,又是如 进何行的 ?91 S调节粒颗是如何 现对蛋白质底物的去实叠及转运的折 与? 26 蛋S白酶 体相作互用的素受体泛 DU和 是如B调控何其相应功能的等 等 ?这问些题的解决, 需都结要生构物 学参与.的在冷 冻镜技术领域发生电命的革天, 今以 预计, 在可辨率逐渐分高提情的下况, 过结构生物学通手段 捉捕应的分子相运过程动的不构象 ,同 而推 断进相应出分子机的制已经指日可也待.
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王丰等: 26S
蛋白体的酶结生构学研物进究展
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15 1 17 186 9120 21 2 223 4 25226 27 2 89 32 3013 332 4 33 36 375 8 33940 1 44 234
Y
a oT, oCen Rh.EA ryptcicpr oease cotuple deusbiqutiniaiotnand edgrdaaiot nby htep rteasooem .Naute, 2r00,2 41:940 34–07Ve mr R,a ArviandL, Oan iaR .R le oo Rpnf1 1etamllprooteae in seubiduitqnaiionta d nedrgadtiao bnyth 2eS 6portasomee S.iecce, 2n002, 982 :116615– PahtraeG , RNay I, Śgedl ź. CrystalP sturtcureof hte ropteasmal deoubqiuitylatin oomudel pRn-R8p1n1 .Por catN lAcdaS i UcS,A20 41 11,:1298 42989 W–rdoen E J,P davoai n, MCarint A St.uctrue rof hte pn1R-Rp18 dimenrr veaes melchansim osf ubstrstea dubiqueiitnaito ndruignp ortaesmoaldeg adariot.n aNt tSrcu toMl Bilo ,012,4 21: 22–2072L i CuW, aJcobosn A D.F ncuiotn os thef 9S1co mlepx n iprotasemol aedgaradtoin Tr.edsn BoichmeS i, c012, 383:1 3–010 Bh1taatchraya S, Yy H, uiM m.CR egulted aporetn itunoverr s:npsaotsho thef potrasemeo i naticn.oNat Rev Mo lCe l lBoil 20,41, 1:5122 –133F rötse F,r UnerdovbrneP, S ldeź P.U veininglthe long- hel dsercet ofsth e2 6S poretsame.o tSuctrru, 2e013 ,21: 15511–562Tomk oR JJr, Fu naksoi M, Shhcendir K, et ae.l eHerohetaxmriec inrga rangreent mfot ehe uakryotc ipotraesoma ATlases: iPmlpicaitnos fr prooeastom estructre und asasmebyl. oMl Clel, 0102, 3: 893–340 C3ox u,OTa nka Ka,G ldobrg eLA .Srtutuce andrf ncutionso f ht e02Sa nd 6S p2rteasooms. Aenu Rnev Bicohm,e 996,16 : p. 8015–84 7tadStmullere MB ,Hli l P.CPro eatsmeoa tivactor.sMo Cell,l2 011,4 :18–1 9K sihTrier E,- Hill P. StCrcturua liboogylof t eh potresoam. Anen uev BiRohys,p2 130,42 : 924–9 Batrhlme eD S,uaer RT I.dneitfcaiton io fte Chdc4*820 proteasoSm esa an ancient AA+A prteooytlci achinme. Sceice, 20n12 ,37:3 4388–64 BrthelaemD S,auer R.TB
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0–22134 aSke Yi ,ohTE A, K-du oT,e tal. M ltupli erpoetasoe-mitnerctina pgroteis nasist thesass mely bo fhe ytaets 1S9 egulartroyp aticrl.e ellC 20,0,9137: 900 –193 L Tallec e, BBrraultaM B , uéGrio sR et,al. Hs 3mS5/ bpatrcipitesai nt he saesbml yathwpa yf ohet19 S eguralort yaptricl eo fht pertoasoeem .ol MellC ,209, 033 :893–93 9Fnauksoh iM,T omk Ro Jr, JKoayashi bH e,t a. lulMiplt easesblym chpaernos geoerv bnoiegnesi sfo he ptoreatose mreugaltry partiocelbas e .Cll,e 0029,1 7:3887–89 9Roe lofs , JPrka ,S aaHs W, et al. haCerpneo-mdietea daphwty ofapro taseoe rmegualorytp raitlc aesemslyb .Ntarue 2,090, 45:98 16865 P–ar S1k, oRlofs eJ, iKm ,W e tal. eHxmaerci saemslb yofthe rpoteasmola TPaAessis temp atedlt hrugh othir eC trminei Na.true,2 009,4 5:9 686–87 0hTmosop nD, akaHla ,KDe Martno iG N Sub.cmopexlseo fP7A00 ,the 1 9Sreg lautro o fhe t26S pr oetsameo,re evl arlatiev roles ofeAA As bunutsiin 2 S6pr otaeomse assmelyb ad acntiativon nad TAaPe scaitityv J. Bil ohCm, 2e009, 824: 482192–940 3Imia ,J Maura yM, YsaihoradH, e ta .lThe olmeclaru capehorenHsp 90pl asy rolaein t eh ssamebl ynadma intnaenc oe tfeh 62Spro etasmo. eEBMOJ ,2003, 2 2:355 73–657Sh aorn M, aveTnerrT A,bromgiogX ,I te al. tructSualr rganioatzon ifoth 1eS9prot aeosme lid i:nsihgs frtmoMS of ntactic oplmxes.eP oLSBi o, 2l00,6 :4 267 SeiddqiuiS M ,Suear R, BakTer A. TRle of ohtep rocssinegpo er fo ht elpC AXAA ATP+ae is nhe rtcognietionan d egnagmeetn f osecpfic irpteio nsubtrsteas.Ge nse De, 20v04 ,81: 69–3743B rtuonR E ,aBkre T A, aSure TR .neEgr-depeyndnet egraddaito: nLinagkeb etewn eCpX-lctalyzaednu lceoitd ehdyorlsis ynad rotepinsubs-rtta percosseni. grotePi Scin 2,03, 021 :893–90 G2ollrM, D izel tL ,öLwe J ,t el. Sartctuur of e02 pSoterasom froemye ats t a2. 4 reAolstuio.nNat ure ,1997, 38: 4636–471 LöewJ ,St oc kD ,JpaB, etal .rystal Cstucturreo tfeh2 S0pr otasomee romft eh achreanoT. aidophicum alt3. A4resol tiuon. cSencie, 199,5 28:6 533–59 Unn3 M,o MzuihsiamT ,M oimoro Y,tet al S.ruttcrued termientioanof het onctitutsiev 2S0 ropetasme foomr bovie nlivr ate2 .7 A r5eslouito. n JBochie,m 202,0 311:17 –1713 nnU M, oMizsuihmaT, Mori moo Y,te t l. ahe Ttsrctureu ofthe m ammailna20 Spro etasoemat 2.5 7A esolrutino. trucSurte, 002,210: 6 0–961 G8orl lM Ber,ersk R,C Ploeh gH ,Let al .Cyrstal sturctue ofr te bhroniocaci -bdsead rpteosoaem nhibitio bortezrmobiin cmolexpwi t hte heysta 2S prot0asemoe .truScutre 20,0, 164:4 5–4516Gr ll Mo H,beru , Rotts BP C C.yrstal srtucutre sf oSainolpsroamdieA (NP -0I025)and BNP(I00-47 i)n omclpx eiwh the t20 pSrtoaeomesr veael ipmrtaon cotneqsuecnes f bota-laeconet irng penoing ndaa m echanims orfir rveesibrlebi dnnig . JmA hCe Soc, m206, 0128: 156–51431 eHJ, Klkarun iK,da oFsncaeP C, e alt T.h estrutuce rfoth e 26 pSrteoaosm seuubit Rpnn rev2easl its P repeaCt doaim nsa aclsedotoroi d fo to cowcnnteirc al
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王丰等: 62 S蛋酶白的结构生体物学研进展
究717 2 7 34775 67 7 778 798 810
Proc
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