蛋白質(zhì)降解調(diào)控是極其重要的基本生物化學(xué)過程，在細(xì)胞周期、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、**響應(yīng)、基因調(diào)控、新陳代謝、神經(jīng)退行、癌癥腫瘤、病毒感染以及蛋白毒性響應(yīng)等主要細(xì)胞分子過程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用。在真核細(xì)胞中，絕大部分胞內(nèi)蛋白都是通過泛素蛋白酶體途徑（Ubiquitin-proteasome pathway），經(jīng)過泛素化標(biāo)記被蛋白酶體全酶降解的。2004年，Aaron Ciechanover、Irwin Rose 和 Avram Hershko 三位科學(xué)家被授予了諾貝爾化學(xué)獎，以表彰他們對該泛素化通路介導(dǎo)蛋白質(zhì)降解的歷史性發(fā)現(xiàn)。蛋白酶體全酶，又稱為26S proteasome，是由中間一個圓柱形20S核心顆粒和兩端覆蓋的一個或兩個19S調(diào)節(jié)顆粒組成。19S包含一個環(huán)形異源六聚體馬達(dá)——AAA-ATPase，通過多個協(xié)同ATP水解模式調(diào)控蛋白酶體降解泛素化底物。蛋白酶體功能紊亂與人體多種**相關(guān)，如癌癥、神經(jīng)退行性**和****等。蛋白酶體是美國FDA批準(zhǔn)的多種**癌癥的上市小分子**的直接靶標(biāo)。在正常細(xì)胞中，蛋白酶體的功能受到多個水平的嚴(yán)格調(diào)控。去泛素化酶USP14是*主要的蛋白酶體調(diào)控分子，被認(rèn)為是一個潛力巨大的**癌癥和神經(jīng)退行性**的重要靶標(biāo)，其小分子抑制劑曾進(jìn)入過美國一期臨床研究，但圍繞USP14功能機(jī)制的一系列懸而未決的關(guān)鍵問題極大限制了其靶向**分子的開發(fā)和臨床應(yīng)用。USP14通過結(jié)合26S而被激活，然后以毫秒的時間尺度剪切底物上的泛素鏈。它是如何被蛋白酶體激活并調(diào)控蛋白酶體功能的，一直是全球研究機(jī)構(gòu)和生物制藥領(lǐng)域期待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。生命分子機(jī)器通過高度復(fù)雜的非平衡動力學(xué)過程和結(jié)構(gòu)變化來實(shí)現(xiàn)其特殊功能，這一過程進(jìn)而受到各種復(fù)雜分子間相互作用的精準(zhǔn)調(diào)控。如何在原子水平直接觀察天然態(tài)超大分子機(jī)器的功能態(tài)動力學(xué)過程，給現(xiàn)有的原子結(jié)構(gòu)動態(tài)分析技術(shù)提出了**挑戰(zhàn)。2022年4月27日，北京大學(xué)毛有東教授團(tuán)隊(duì)在 Nature 在線發(fā)表了題為：USP14-regulated allostery of the human proteasome by time-resolved cryo-EM 的研究論文。該研究報(bào)道了利用自主研發(fā)的深度學(xué)習(xí)高精度四維重建技術(shù)，發(fā)展并應(yīng)用時間分辨冷凍電鏡，闡明原子水平人源蛋白酶體動力學(xué)調(diào)控和構(gòu)象重編程機(jī)制的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
毛有東教授實(shí)驗(yàn)室長期致力于發(fā)展基于冷凍電鏡的動力學(xué)重建方法，圍繞蛋白酶體、炎癥小體等具有重大臨床應(yīng)用前景的靶點(diǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能、動力學(xué)機(jī)制和靶向調(diào)控分子設(shè)計(jì)深入開展前沿交叉研究——
2016年報(bào)道了人源蛋白酶體基態(tài)的3.6 ?冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及其他三個亞納米分辨構(gòu)象，并**發(fā)現(xiàn)一個亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)象的核心顆粒物轉(zhuǎn)運(yùn)通道處于開放狀態(tài)（PNAS 2016; 113: 12991-12996）。
2017年，利用冷凍電鏡解析高分辨率蛋白酶體19S調(diào)控復(fù)合體在結(jié)合組裝伴侶p28的自由態(tài)的三維結(jié)構(gòu)，闡釋了組裝伴侶蛋白Gankyrin/p28在蛋白酶體組裝過程中構(gòu)象選擇的組裝機(jī)理（Molecular Cell 2017; 67: 322-333）。
2018年4月，報(bào)道了6個ATPγS結(jié)合狀態(tài)下的26S蛋白酶體動態(tài)結(jié)構(gòu)，包括三個核心顆粒復(fù)合物開放態(tài)對應(yīng)的亞穩(wěn)簡并態(tài)近原子分辨（4~5 ?）結(jié)構(gòu)（Nature Communications 2018, 9: 1360）。
2018年11月，**報(bào)道了人源蛋白酶體26S在降解底物過程中的七種中間態(tài)構(gòu)象的高分辨（2.8~3.6埃）結(jié)構(gòu)，在原子水平呈現(xiàn)了蛋白酶體和底物相互作用的動態(tài)過程，**實(shí)現(xiàn)了對AAA-ATPase六聚馬達(dá)分子內(nèi)ATP水解全周循環(huán)的完整過程的原子水平觀測（Nature 2019; 565:49-55）。這一系列工作揭示了蛋白酶體的原子架構(gòu)、組裝原理和降解泛素化底物的動力學(xué)基本規(guī)律。 圖1. (A) USP14調(diào)控下蛋白酶體復(fù)合體降解多泛素化底物的原子結(jié)構(gòu)模型之一。(B) 時間分辨率冷凍電鏡解析13種中間態(tài)的統(tǒng)計(jì)分布隨蛋白質(zhì)降解進(jìn)程的時間演化。（Youdong Mao, CC BY 4.0）本研究課題進(jìn)行之初，首先要克服的問題就是“時間分辨”。蛋白酶體降解底物的過程是很快的，時間尺度在毫秒至秒之間。正常條件下，想要通過冷凍電鏡技術(shù)捕獲此過程的中間態(tài)結(jié)構(gòu)，是非常困難的。所以，課題組首先要讓這個過程慢下來。通過大量的條件摸索，重建反應(yīng)動力學(xué)體系和優(yōu)化反應(yīng)條件，包括優(yōu)化緩沖體系、反應(yīng)溫度等條件，課題組優(yōu)化出較為可行的實(shí)驗(yàn)方案，從而使得時間分辨冷凍電鏡技術(shù)應(yīng)用成為可能，*終獲得了含時的45,193張USP14-26S復(fù)合體降解泛素底物過程中的冷凍電鏡透射圖樣，挑取了3,556,806個USP14-26S-泛素底物復(fù)合體的顆粒圖像。接下來面臨的極端挑戰(zhàn)就是“三維分類”，冷凍電鏡捕獲的復(fù)合體圖像需要經(jīng)過一系列的分類，將它們歸為不同的構(gòu)象類別，才能呈現(xiàn)出蛋白反應(yīng)的動態(tài)過程。USP14結(jié)合到26S蛋白酶體后，使得降解底物的動力學(xué)過程更加復(fù)雜，想要在如此多的異構(gòu)復(fù)合體顆粒圖像中，鑒別出降解過程的各個時態(tài)的高分辨率非平衡構(gòu)象，傳統(tǒng)的三維分類方法是無法實(shí)現(xiàn)的。低精度的三維分類將導(dǎo)致低分辯的三維重建，從而無法獲取原子水平的動力學(xué)信息，無法對含時的數(shù)據(jù)賦予自洽的動態(tài)變化的物理意義。課題組結(jié)合經(jīng)過數(shù)年自主開發(fā)的新型深度學(xué)習(xí)高精度三維分類和四維重建方法，捕獲了USP14-26S復(fù)合體降解多泛素化底物過程的13種不同功能中間狀態(tài)的高分辨率（3.0~3.6埃）非平衡構(gòu)象，通過時間分辨冷凍電鏡分析，重建了受控蛋白酶體的完整動力學(xué)工作周期，并結(jié)合分子生物學(xué)功能和基因突變研究，闡明了USP14和26S相互調(diào)控活性的原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和非平衡動力學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)USP14的活化同時依賴于泛素識別和蛋白酶體RPT1亞基的結(jié)合。出人意料的是，USP14通過別構(gòu)效應(yīng)，誘導(dǎo)蛋白酶體同時沿著兩條并行狀態(tài)轉(zhuǎn)變路徑發(fā)生構(gòu)象變化；課題組成功捕獲到了底物降解中間狀態(tài)向底物抑制中間狀態(tài)的瞬時轉(zhuǎn)化。在底物降解途徑中，USP14活化變構(gòu)地重編程AAA-ATP酶馬達(dá)的構(gòu)象景觀（Conformational landscape）和統(tǒng)計(jì)分布，并刺激20S底物通道的打開，從而觀察到底物持續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)過程的ATPase六聚馬達(dá)非對稱ATP水解和近乎完整的全周循環(huán)周期。USP14-ATPase的動態(tài)相互作用，使得ATPase馬達(dá)底物識別與26S自身的去泛素化酶RPN11催化發(fā)生去耦合效應(yīng)，并在26S的泛素識別、底物的起始易位和泛素鏈回收過程中引入三個調(diào)控檢查點(diǎn)（動力學(xué)分岔點(diǎn)）。這些發(fā)現(xiàn)為USP14調(diào)節(jié)26S的完整功能周期提供了全新的高分辨見解，并為USP14靶向****發(fā)現(xiàn)奠定了極為重要的機(jī)制基礎(chǔ)。圖2. 通過時間分辨冷凍電鏡分析獲取的USP14調(diào)控蛋白酶體底物降解的并行路徑模型。（Youdong Mao, CC BY 4.0）Nature 同期在線發(fā)表了題為：Control of human protein-degradation machinery revealed 的Research Briefing專欄推介文章，發(fā)表了審稿人和 Nature 編輯團(tuán)隊(duì)的官方點(diǎn)評，其中審稿人評價：該工作是一項(xiàng)重大研究，終于在原子水平解決了USP14活化和其調(diào)控蛋白酶體功能的機(jī)制問題。Nature 編輯團(tuán)隊(duì)指出：這一工作通過時間分辨冷凍電鏡，結(jié)合功能分析，……，呈現(xiàn)了蛋白質(zhì)降解過程中USP14和蛋白酶體的構(gòu)象連續(xù)體。這是**將人工智能四維重建技術(shù)用于提升時間分辨冷凍電鏡分析精度，針對重大**靶??白復(fù)合體，實(shí)現(xiàn)原子水平功能動力學(xué)觀測的國際**原創(chuàng)成果，展示了一類新型的蛋白質(zhì)復(fù)合動力學(xué)研究范式。
