基于超低温冷冻电镜的蛋白酶体结构与功能研究

批准号:
31270771
项目类别:
面上项目
资助金额:
80.0 万元
负责人:
丛尧
依托单位:
学科分类:
C0501.结构生物学
结题年份:
2016
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
孔亮亮、王艳兴、丁占玉、臧云祥
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中文摘要
蛋白酶体(proteasome)是真核细胞中极为重要的依赖于ATP的蛋白质降解机器。细胞中约90%受到损伤或错误折叠的蛋白质都会经由泛素(ubiquitin)-蛋白酶体途径降解。但是至今对蛋白酶体在ATP驱动下识别并降解底物的结构机制的了解仍十分有限。此外,蛋白酶体的19S调控颗粒还可以与mRNA加工复合物CCR4-NOT相互作用调节组蛋白H3K4的甲基化,但其机制仍不清楚。本项目拟主要应用新兴的超低温冷冻电镜(cryo-EM)技术,解析蛋白酶体在ATP驱动下的构象变化,揭示该构象变化在蛋白酶体识别、去折叠、降解底物中的作用机制;阐明19S调控颗粒与CCR4-NOT 复合物相互作用的分子机制,为研究蛋白酶体在组蛋白甲基化中的调控功能提供结构基础。本项目有助于深入理解蛋白酶体调节下蛋白质降解的分子机制、及蛋白酶体对组蛋白甲基化的调节机制,将为探索相关疾病的诊治手段提供重要的结构基础。
英文摘要
The proteasome is the most essential ATP-dependent intracellular protein-degradation nanomachine across the eukaryotic kingdom. About 90% of damaged or mis-folded proteins will be processed through the ubiquitin-proteasome pathway. However, the structural mechanism of substrate recognition and degradation by proteasome with the energy provide by ATP remains poorly understood. In addition, recent biochemistry study demonstrated that the proteasome also regulate histone H3K4 methylation through its crosstalk with CCR4-NOT complex, while the mechanism is unclear. By utilizing the emerging powerful electron cryomicroscopy (cryo-EM) technique, the research objectives include: To reveal the ATP-driven conformational changes of proteasome, and the mechanism of how these conformational changes are related to its substrate recognition, unfolding and degradation; To uncover the interaction mechanism of the 19S regulatory particle with CCR4-NOT complex, and their role in regulating histone methylation. The ultimate goal of this study is to uncover the mechanisms of proteasome-mediated degradation, and proteasome-regulated histone methylation, which could provide essential structure basis for the diagnosis and treatment of related human diseases.
泛素-蛋白酶体系统是真核细胞内最主要的蛋白质降解途径,细胞中约90%受到损伤或错误折叠的蛋白质经由该途径降解。蛋白酶体参与调控众多生物进程,其功能的异常与癌症、自身免疫病和神经退行性疾病等人类重大疾病密切相关,是重要的药物靶标。26S蛋白酶体是由至少33个不同亚基组成的超大分子机器, 其执行底物降解功能的过程与其在ATP驱动下的动态构象变化密切相关。但是由于激活状态下蛋白酶体高分辨率结构的缺失,至今对蛋白酶体在ATP驱动下被激活并执行底物降解功能的分子机制了解甚少。在本项目资助期间,主要研究进展如下:(1)首次解析了蛋白酶体在激活状态(结合ADP-AlFx)下的近原子分辨率冷冻电镜三维结构;(2)揭示了激活状态下的蛋白酶体呈现新构象,且与底物去折叠及转运密切相关的pore loop亦发生重排;(3)首次观测发现激活状态下的蛋白酶体结合核苷酸的不对称性,并且蛋白酶体核苷酸结合的对称性与其激活状态相关;(4)发现未结合核苷酸的ATPase亚基Rpt2和Rpt6的构象变化极为显著,预示其在底物降解过程中的重要作用;(5)阐释了蛋白酶体在核苷酸驱动下被激活,发生变构调节从而产生机械力以协助底物去折叠及降解的新机制。上述研究为深入理解其协助底物去折叠、转运及降解的分子机制提供了重要结构基础,为探索相关疾病的诊治手段提供了理论基础(Cell Res 2017)。.此外,我们还(1)揭示了分子伴侣素TRiC在结合ATP过程中按特定的时空顺序、分阶段进行的结构机制,实现了对TRiC开环状态的亚基精确定位,为深入阐释TRiC高度协同性及其特异性识别并折叠底物的机制提供了结构基础(Nat Struc Mol Biol 2016);(2)阐释了抗肠道病毒71(EV71)单克隆抗体D5结合以及抑制病毒的结构基础,为基于D5抗体的抗EV71药物开发提供了新思路(PLoS Pathog 2016);(3)揭示了跨膜蛋白LETM1可形成Ca2+/H+反向转运体以及其受pH调控的结构基础(Sci Rep 2016)。.其他合作研究包括:(1)揭示了从头甲基化转移酶DNMT3A自抑制以及组蛋白H3诱导DNMT3A激活的结构机制(Nature 2015);(2)解析了人五羟色胺受体(5-HT3A)的结构,并对乙酰胆碱受体7进行了结构表征(Acta Pharmacol Sin 2015a,2015b)。
期刊论文列表
专著列表
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Crystallization scale purification of α7 nicotinic acetylcholine receptor from mammalian cells using a BacMam expression system
使用 BacMam 表达系统从哺乳动物细胞中结晶规模纯化 α7 烟碱乙酰胆碱受体
DOI:10.1038/aps.2015.34
发表时间:2015-08-01
期刊:ACTA PHARMACOLOGICA SINICA
影响因子:8.2
作者:Cheng, Hao;Fan, Chen;Xu, H. Eric
通讯作者:Xu, H. Eric
Staggered ATP-binding mechanism of eukaryotic chaperonin TRiC/CCT revealed by high-resolution cryo-EM
高分辨率冷冻电镜揭示真核伴侣蛋白 TRiC/CCT 的交错 ATP 结合机制
DOI:--
发表时间:2016
期刊:Nat Struct Mol Biol
影响因子:--
作者:Zhicheng Cui;Caixuan Liu;Liangliang Kong;Yao Cong
通讯作者:Yao Cong
Structural insight into autoinhibition and histone H3-induced activation of DNMT3A
DNMT3A 自身抑制和组蛋白 H3 诱导激活的结构洞察
DOI:10.1038/nature13899
发表时间:2015-01-29
期刊:NATURE
影响因子:64.8
作者:Guo, Xue;Wang, Ling;Xu, Yanhui
通讯作者:Xu, Yanhui
Structural Basis for Recognition of Human Enterovirus 71 by a Bivalent Broadly Neutralizing Monoclonal Antibody.
二价广泛中和单克隆抗体识别人肠道病毒 71 型的结构基础
DOI:10.1371/journal.ppat.1005454
发表时间:2016-03
期刊:PLoS pathogens
影响因子:6.7
作者:Ye X;Fan C;Ku Z;Zuo T;Kong L;Zhang C;Shi J;Liu Q;Chen T;Zhang Y;Jiang W;Zhang L;Huang Z;Cong Y
通讯作者:Cong Y
High-resolution cryo-EM structure of the proteasome in complex with ADP-AlFx
蛋白酶体与 ADP-AlFx 复合物的高分辨率冷冻电镜结构
DOI:10.1038/cr.2017.12
发表时间:2017-03-01
期刊:CELL RESEARCH
影响因子:44.1
作者:Ding, Zhanyu;Fu, Zhenglin;Cong, Yao
通讯作者:Cong, Yao
调控纤毛发生及运动的哺乳动物超大分子机器的结构与功能
- 批准号:32130056
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:282万元
- 批准年份:2021
- 负责人:丛尧
- 依托单位:
基于冷冻电镜的组蛋白H3K4甲基转移酶COMPASS复合体的结构与功能研究
- 批准号:31872714
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:65.0万元
- 批准年份:2018
- 负责人:丛尧
- 依托单位:
基于冷冻电镜的真核细胞分子伴侣素TRiC的结构与功能研究
- 批准号:31670754
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万元
- 批准年份:2016
- 负责人:丛尧
- 依托单位:
国内基金
海外基金
