細胞中有70%~80%的蛋白質降解是由蛋白酶體執行的，蛋白酶體普遍存在於真核生物和原核生物中，哺乳動物細胞內蛋白酶體主要以兩種形式存在：20S蛋白酶體和26S蛋白酶體（即20S-19S複合體）[1]。在正常情況下，20S呈現封閉的桶狀結構，蛋白水解活性位點位於桶狀結構的中心，當有激活因子（Activator）結合在20S上時，20S頂端的狹窄通道被打開，底物才能進入20S的活性中心被降解。19S調節顆粒是蛋白酶體最主要的調節蛋白因子，除此之外還有11S調節蛋白家族（PA28α/β，PA28γ），PA200/Blm10等[2]。
2020年3月6日，福建師範大學生命科學學院、南方生物醫學研究中心歐陽松應課題組與中科院生物物理所朱平課題組合作在《PLOS Biology》上發表了題為Cryo-EM structures of the human PA200 and PA200-20S complex reveal regulation of proteasome gate opening and two PA200 apertures的研究論文。該研究通過cryo-EM解析了人源蛋白酶體調節蛋白PA200及其與20S蛋白酶體複合物的結構，並通過HPLC-MS及其他生物化學手段發現PA200具有兩個獨特的孔道，以及孔道中結合的小分子，並闡明瞭PA200誘導20S孔道打開的分子機制。
19S調節顆粒參與由蛋白酶體介導的經典蛋白質降解途徑，即ATP依賴的泛素-蛋白酶體途徑。在19S的幫助下，靶蛋白被識別，經泛素化修飾，去摺疊，進入蛋白酶體，被20S降解形成多個短肽，最終經進一步水解形成單個氨基酸重新用於蛋白質的合成[3]。近幾年的研究表明，細胞內還存在一些不依賴於ATP和泛素修飾的蛋白質降解途徑，例如PA28α/β，PA28γ和PA200等可以通過該途徑調節20S的活性。20S可以與這些激活因子形成多種形式的複合物，如19S-20S-19S，19S-20S-PA200，19S-20S-PA28，PA28-20S-PA28等。
PA200是一個大小約200 kDa的單一蛋白激活因子，其在精子發生，DNA修復和線粒體遺傳物質的維持中發揮重要作用[4]。然而，這麼大的一個蛋白質在分子水平如何發揮功能尚不清楚，底物蛋白如何進入20S-PA200複合物的機制也不清楚。本文作者通過解析人源PA200單一蛋白結構及其與20S的複合物結構，發現PA200呈現穹頂狀結構，主要由32個HEAT樣重複序列組成，像“帽子”一樣扣在20S上（圖A）。為了分析PA200誘導底物進出20S的孔道打開機制，作者通過冷凍顆粒分選，解析了20S一端結合了PA200的複合物結構（圖B）。
此外，作者發現20S結合了PA200的一端，孔道被誘導打開，然而沒有結合PA200的一端孔道仍呈關閉狀態（圖A）。通過比較兩端狀態，發現PA200利用其C端的HbYX序列YYA（Tyr-Tyr-Ala）誘導20S的α亞基重排，使20S頂端的通道打開（圖B）。
令人意外的是，作者在PA200單一蛋白和其與20S形成的複合物結構上都發現PA200有兩個孔道，孔道中大量正電氨基酸結合著小分子。研究人員進一步利用HPLC-MS鑑定出孔道1結合的是5,6 [PP] 2-InsP4，而孔道2結合的是InsP6（肌醇六磷酸）（下圖）。進一步與其酵母同源蛋白Blm10結構進行比較發現，Blm10上並沒有這兩個孔道。
PA200上的獨特的BRDL區域賦予其識別乙酰化組蛋白的功能，同時有文獻報道InsP6及其類似物在Ⅰ類組蛋白去乙酰化過程中發揮了重要作用，這也提示PA200結合此類物質的能力可能與BRDL識別乙酰化H4組蛋白，PA200-20S複合物降解乙酰化組蛋白之間存在某種關聯，這也為後續繼續揭示PA200-20S蛋白酶體識別並降解乙酰化組蛋白提供了思路。
據悉，英國劍橋分子生物學實驗室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的Paula C.A. daFonseca團隊也通過cryo-EM解析了20S和PA200-20S結構，同樣發現了位於PA200上的通道結合有小分子[5]。
福建師範大學生命科學學院歐陽松應教授和中科院生物物理所朱平研究員為本文通訊作者，福建師範大學為第一完成單位，歐陽松應課題組關洪鑫副研究員，南方生物醫學研究中心碩士研究生餘婷、黃旖旎以及生物物理研究所博士生王有望為本文共同第一作者。項目得到了國家自然基金及福建師範大學等經費資助。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000654
參考文獻:
1. Savulescu AF, Glickman MH. Proteasome activator 200: the heat is on. Mol Cell Proteomics.2011;10(5):R110 006890. doi: 10.1074/mcp.R110.006890. PubMed PMID: 21389348;PubMed Central PMCID: PMCPMC3098604.
2.Jiang TX, Zhao M, Qiu XB. Substrate receptorsof proteasomes. Biol Rev Camb Philos Soc. 2018;93(4):1765-77. doi:10.1111/brv.12419. PubMed PMID: 29732666.
3.Gillette TG, Kumar B, Thompson D, Slaughter CA, DeMartino GN. Differential roles of the COOH termini of AAA subunits of PA700 (19 S regulator) in asymmetric assembly and activation of the 26S proteasome. J Biol Chem.2008;283(46):31813-22. doi: 10.1074/jbc.M805935200.PubMed PMID: 18796432;PubMed Central PMCID: PMCPMC2581596.
4.Ustrell V, Hoffman L, Pratt G, Rechsteiner M. PA200, a nuclear proteasome activator involved in DNA repair. EMBO J. 2002;21(13):3516-25. doi:10.1093/emboj/cdf333. PubMedPMID: 12093752; PubMed Central PMCID:PMCPMC126083.
5.Toste RêgoA, da Fonseca PCA. Characterization of Fully Recombinant Human 20S and 20S-PA200 Proteasome Complexes. Molecular Cell.2019. doi:10.1016/j.molcel.2019.07.014.
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