在細胞內(nèi)部復雜的分子景觀中，蛋白質的編排需要精確控制以避免疾病。雖然有些蛋白質必須在特定時間合成，但其他蛋白質需要及時分解和再循環(huán)。蛋白質降解是影響細胞周期、細胞死亡或免疫反應等細胞活動的基本過程。這個過程的核心是蛋白酶體，它是細胞中的回收中心。如果蛋白質攜帶由泛素分子鏈形成的分子標簽，蛋白酶體就會降解蛋白質。連接這個標簽的任務落在了被稱為泛素連接酶的酶身上。
這一過程被稱為多泛素化，由于其快速和復雜的性質，長期以來一直難以研究。為了應對這一挑戰(zhàn)，維也納分子生物學研究所(IMP)、北卡羅來納大學醫(yī)學院的科學家們及其合作者采用了多種技術，將冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)與尖端的深度學習算法相結合。IMP小組負責人David Haselbach博士說:“我們的目標是通過時間分辨低溫電鏡研究一步一步地捕獲多泛素化。這種方法使我們能夠可視化和剖析在這個過程中發(fā)生的復雜的分子相互作用，就像定格電影一樣。”
生化的時間間隔
該研究發(fā)表在《自然結構與分子生物學》雜志上，深入研究了后期促進復合物/環(huán)體(APC/C)的運動，APC/C是一種驅動細胞周期的泛素連接酶。APC/C附著泛素信號背后的機制仍然是一個未解之謎。Haselbach博士和北卡羅來納大學醫(yī)學院藥理學副教授Nicholas Brown博士是該研究的共同資深作者。
第一作者、北卡羅來納大學教堂山分校博士后藥理學研究員Tatyana Bodrug博士說:“我們對APC/C的基本結構有了扎實的掌握，這是時間分辨低溫電子顯微鏡的先決條件。”“現(xiàn)在我們對它的每一步功能都有了更好的了解。”
泛素連接酶執(zhí)行許多任務，包括招募不同的底物，與其他酶相互作用，形成不同類型的泛素信號?？茖W家們可視化了泛素連接蛋白與APC/C及其輔酶之間的相互作用。他們利用一種稱為神經(jīng)網(wǎng)絡的深度學習形式，重建了APC/C在多泛素化過程中所經(jīng)歷的運動。這是蛋白質降解研究的第一次。
APC/C是泛素連接酶大家族(超過600個成員)的一部分，尚未以這種方式表征。全球的努力將繼續(xù)推動這一領域的發(fā)展。
“我們工作成功的關鍵是與其他幾個團隊的合作，在普林斯頓大學，鐘艾倫在軟件和編程方面的貢獻是揭示APC/C機制新見解的關鍵。這些發(fā)現(xiàn)的后續(xù)驗證需要Harrison、Steimel、Hahn、Emanuele和Zhang博士領導的其他幾個小組的幫助。團隊的努力對推動我們的研究完成至關重要。”
這項研究的意義超出了它的直接影響，為未來探索連接酶的調(diào)節(jié)鋪平了道路，最終有望更深入地了解對人類健康和疾病(如多種形式的癌癥)重要的蛋白質代謝機制。
本文作者Mehdi Khadraoui是維也納生物中心分子病理學研究所(IMP)的通訊官員。北卡羅來納大學醫(yī)學院的研究和國家新聞主任Mark Derewicz。
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