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综合新闻

 

丛尧研究组应用冷冻电镜揭示TRiC/CCT的构象变化空间及亚基特异性机制

        9月7日,国际知名学术期刊Proc Natl Acad Sci USA 在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)国家蛋白质科学中心(上海)丛尧研究组的研究论文“An ensemble of cryo-EM structures of TRiC reveal its conformational landscape and subunit specificity”。该研究应用冷冻电镜技术结合生化和功能分析,首次捕捉到真核生物分子伴侣素TRiC(又称CCT)逐步关环的完整构象变化空间,揭示了TRiC各亚基在ATP消耗和关环过程中的特异性(specificity)机制,为深入理解TRiC协助其底物正确折叠的机制奠定了理论基础。
 
        细胞中蛋白质的正确折叠对其发挥正常的生物学功能、维持细胞内环境的稳态具有重要作用。真核生物II型分子伴侣素TRiC由寡聚双环背对背堆叠而成,每个环由8个同源亚基组成。TRiC在ATP驱动下发生动态构象变化,将化学能转化为机械能,进而协助~10%的胞质蛋白正确折叠。其底物包括许多重要的结构性和调节性蛋白,如肌动蛋白actin和微管蛋白tubulin;与肿瘤发生密切相关的蛋白,如肿瘤抑制蛋白VHL和p53,及原致癌蛋白STAT3;以及细胞周期调节蛋白CDC20等。TRiC对维持胞内蛋白质的动态平衡进而调控细胞的生命过程至关重要,其功能的改变或缺失与癌症及神经退行性疾病等密切相关。因此,探索TRiC在ATP驱动下的完整构象变化过程和机制,以及各亚基功能特异性的结构基础,有利于阐明其底物识别及折叠的分子机制,并为揭示TRiC与上述人类疾病之间的关系提供理论基础。
 
        丛尧研究组长期致力于TRiC及蛋白酶体等大分子机器的动态结构与功能研究,揭示了TRiC的阶段性ATP结合机制(NSMB, 2016; EMBO J, 2012),蛋白酶体的激活机制及其在泛素链诱导下的变构及底物识别机制等(Cell Res, 2017; Mol Cell, 2019)。在此基础上,这项研究通过解析TRiC在不同核苷酸(nucleotide)状态及浓度下的一系列高分辨率冷冻电镜结构,首次揭示了TRiC逐步关环的完整构象变化空间和过程机制。其中双环关闭结构达到原子分辨率水平,阐明了之前未见报道的诸多亚基N末端结构及其参与TRiC双环协同变构的机制。结合生化及功能实验,研究人员系统地揭示了在ATP消耗及变构过程中TRiC各亚基的特异性:ATP结合后CCT7亚基首先发生构象变化,CCT4亚基最后结合ATP成为该复合体关环的限速步骤,CCT8亚基始终与ADP结合几乎不参与ATP循环。研究阐明了各亚基消耗ATP及变构是按特定的时空顺序分阶段进行的,同时发现与I型分子伴侣素不同,TRiC在上述过程中双环表现为正向协同性(Positive Cooperativity),结束了长期以来的争议。
 
        综上所述,该研究首次捕捉到TRiC逐步关环的完整构象变化空间,揭示了TRiC各个亚基在ATP消耗和关环过程中的特异性及其结构机制,有助于进一步理解TRiC各亚基在其复合体组装、底物识别和折叠过程中表现出的功能特异性;同时揭示了TRiC的双环在ATP消耗、辅助伴侣PFD结合和关环过程中表现出正向协同性,这有利于TRiC对其底物的高效折叠,加深了人们对TRiC高度协同性的认识。以上研究有助于人们理解TRiC协助下的蛋白质折叠机制,并为相关疾病的诊疗提供新思路和靶标。
 
        生化与细胞所博士生金明梁为本文第一作者,丛尧研究员为通讯作者。感谢生化与细胞所周金秋究员、周兆才研究员、李典范研究员等的大力支持。该研究得到张江实验室国家蛋白质科学研究(上海)设施冷冻电镜系统,数据库与计算分析系统、核磁系统、小角散射线站与规模化蛋白质制备系统的大力支持。该研究获国家自然科学基金委、国家科技部、中国科学院战略性先导科技专项(B类)等资助。
 
        文章链接

(A)按照亚基结合nucleotide的顺序,TRiC的8个亚基可分为四组,且呈镜面对称分布。(B)TRiC复合体的三套变构协同网络(allosteric network),从亚基内(网络I)的变构到环内(网络II)和环间(网络III)的协同变构。(C)TRiC构象变化空间,揭示了从开环的TS1(TRiC State 1)到双环关闭的TS7状态的相对稳定中间态及环闭合过程中的构象变化过程。(D)在nucleotide浓度逐渐升高条件下,TRiC的构象分布由开环(粉色)逐渐向关环(蓝色)转变。

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