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科研進展

2021年10月18日
中國科大解析Lon蛋白酶的完整三維結構并揭示其底物識別與轉移的分子機制

10月10-15日愛游戲體育登錄細胞動力學教育部重點實驗室張凱銘團隊在解析Lon蛋白酶的完整三維結構并揭示其底物識別與轉移的分子機制取得重要進展,與臺灣中央研究院張崇毅團隊在期刊JBC和Sciences Advances合作連續發(fa)表論文(wen)。

Lon AAA+蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)酶(mei)(LonA)是(shi)一種(zhong)在(zai)(zai)原核生(sheng)物和真(zhen)核生(sheng)物細(xi)胞器中保守的ATP依賴性蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)酶(mei)。LonA組裝為(wei)同源六聚體(ti),每(mei)個單(dan)體(ti)都包含一個N端(duan)結構(gou)域、一個中間ATP酶(mei)結構(gou)域和一個C端(duan)蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)酶(mei)結構(gou)域。LonA通過降解(jie)受損或錯誤(wu)折疊(die)的異常蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)質在(zai)(zai)細(xi)胞蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)質穩態(tai)中發揮重要(yao)作(zuo)用,從而(er)防止這些不需(xu)要(yao)的蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)質種(zhong)類形成(cheng)有(you)毒聚集體(ti)。LonA還通過降解(jie)特(te)定(ding)的調節蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)來(lai)調控多種(zhong)生(sheng)物過程(cheng)。

前人的(de)(de)(de)(de)(de)研究揭(jie)示(shi)了(le)LonA的(de)(de)(de)(de)(de)多種功(gong)能和(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)特(te)征。具(ju)有開放活(huo)性位(wei)點構(gou)(gou)(gou)象的(de)(de)(de)(de)(de)Lon蛋(dan)白(bai)(bai)酶域(yu)采用(yong)六重(zhong)對稱結(jie)構(gou)(gou)(gou),而具(ju)有非(fei)活(huo)性蛋(dan)白(bai)(bai)水解(jie)位(wei)點構(gou)(gou)(gou)象的(de)(de)(de)(de)(de)LonA則采用(yong)開放螺旋(xuan)六聚體(ti)結(jie)構(gou)(gou)(gou)。ADP結(jie)合(he)(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)LonA六聚體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)(gou)(gou)揭(jie)示(shi)了(le)ADP如何通過(guo)誘導形(xing)成封閉的(de)(de)(de)(de)(de)降解(jie)室來抑制LonA活(huo)性。通過(guo)假設來自兩對三個非(fei)相(xiang)鄰單體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)無核(he)苷(gan)酸和(he)ADP結(jie)合(he)(he)(he)狀態(tai)之間的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)(gou)轉(zhuan)換(huan),建立(li)了(le)基于(yu)ADP結(jie)合(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)底(di)物易(yi)位(wei)模型(xing)。然而最近的(de)(de)(de)(de)(de)底(di)物結(jie)合(he)(he)(he)AAA+蛋(dan)白(bai)(bai)的(de)(de)(de)(de)(de)冷凍(dong)電鏡(jing)結(jie)構(gou)(gou)(gou)不(bu)支(zhi)持上述簡單的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)步轉(zhuan)換(huan)模型(xing),認為其ATP酶結(jie)構(gou)(gou)(gou)域(yu)圍繞中(zhong)心定位(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)底(di)物多肽(tai)鏈以螺旋(xuan)梯狀排(pai)列,包括(kuo)最近人源(yuan)和(he)鼠(shu)疫耶爾(er)森氏菌Lon蛋(dan)白(bai)(bai)酶的(de)(de)(de)(de)(de)冷凍(dong)電鏡(jing)結(jie)構(gou)(gou)(gou)均支(zhi)持持續性旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)制。但(dan)在(zai)(zai)這些工作中(zhong),用(yong)于(yu)重(zhong)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)細菌Lon是一(yi)個Walker-B突變體(ti);而人源(yuan)Lon的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)(gou)則顯示(shi)了(le)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)底(di)物結(jie)合(he)(he)(he)方(fang)式和(he)核(he)苷(gan)酸結(jie)合(he)(he)(he)狀態(tai),表明(ming)Lon可能存在(zai)(zai)復雜的(de)(de)(de)(de)(de)底(di)物轉(zhuan)移(yi)機(ji)制。

10月10日,張凱銘和張崇毅團隊合作在期刊JBC發表題為“Molecular basis for the ATPase-powered substrate translocation by the Lon AAA+ protease”的文章。張凱銘課題組李珊珊等解析了Meiothermus taiwanensis Lon底物結合狀態的3.6-?冷凍電鏡結構,發現ATPase結構域的雙孔環介導底物相互作用,由處于不同ATP結合和水解狀態的四個連續單體以螺旋梯狀排列,揭示了其通過LonA特異性變構實現持續性旋轉易位的分子機制。

AAA+蛋白酶(mei)與底物(wu)結合(he)的核苷酸結合(he)狀態(tai)比較

頂(ding)部(bu)視圖顯示了(le)核苷(gan)酸(suan)和底(di)物(wu)的(de)結(jie)合狀態。與底(di)物(wu)結(jie)合的(de)原(yuan)體呈不(bu)同深淺(qian)的(de)綠色。

然而到目前(qian)為止(zhi),Lon六聚體的(de)現有報道的(de)所有結構中沒(mei)有包(bao)含N端區域(yu),Lon如何選擇蛋白質(zhi)靶標作為底物、控(kong)制(zhi)(zhi)底物進入(ru)AAA+結構域(yu)、并介導底物去折(zhe)疊的(de)機制(zhi)(zhi)尚(shang)不清楚。

10月15日,合作(zuo)團隊在期刊Sciences Advances繼續發表題為“Complete three-dimensional structures of the Lon protease translocating a protein substrate”的延續性工作。張凱銘課題組李珊珊等利用冷凍電鏡進一步解析了Meiothermus taiwanensis Lon底物結合狀態的完整三維結構,分辨率達2.4 ?。這些結構顯示了一個具有張拉整體三角形復合體的多層結構,獨特地由六個長N端螺旋構成。相互鎖定的螺旋三角形組裝在六聚體核心的頂部,以展開一個由六個球狀底物結合域組成的網。它作為一個多用途平臺,控制底物進入AAA+環、提供基于標尺的底物選擇機制、并充當滑輪裝置以促進AAA+環將ATP驅動的構象變化轉化為機械力來推動易位底物的展開。該研究成果為理解Lon和其他具有類似活性的AAA+蛋白酶的結構機制提供了一個完整的框架。

全長(chang)Lon的(de)冷凍電鏡(jing)結(jie)(jie)構解析。a.冷凍電鏡(jing)結(jie)(jie)構。b.三維原子模型。c,d.二類單體的(de)結(jie)(jie)構及結(jie)(jie)構域示意圖(tu)(tu)。e.作用機制示意圖(tu)(tu)。

斯坦福大學(xue)Wah Chiu院(yuan)士為(wei)此工作(zuo)提(ti)供(gong)了(le)寶貴意見。本研究獲得了(le)Stanford-SLAC電鏡平(ping)臺、臺灣中央研究院(yuan)電鏡平(ping)臺和愛游(you)(you)戲(xi)app細胞動力(li)學(xue)教育(yu)部重(zhong)點(dian)實驗室及(ji)冷(leng)凍電鏡平(ping)臺的大力(li)支持。愛游(you)(you)戲(xi)app為(wei)第(di)一(yi)完(wan)成單位,生命科學(xue)與醫學(xue)部李珊珊副研究員(yuan)為(wei)第(di)一(yi)作(zuo)者(zhe),張(zhang)凱銘、張(zhang)崇毅(yi)研究員(yuan)為(wei)共同通訊作(zuo)者(zhe)。

Sciences Advanceslink:

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(細胞動力(li)學教(jiao)育(yu)部重點實驗室、合肥微尺度物質科學國家研(yan)究中心、中國科大生醫部、科研(yan)部)

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