直接可视化蛋白质解聚分子机器的动态结构

ClpB是一种以ATP为燃料的蛋白质分子机器，可以解聚并重新激活聚集的蛋白质。通过使用高速原子力显微镜，首次可视化ClpB的构象动力学。ClpB形成开环和闭环，闭环进一步分为三种形式：圆形，螺旋形和扭曲的半螺旋形。这些结构在ATP酶循环期间相互转化以进行蛋白质解聚。该研究将有助于治疗与各种疾病相关并导致工业问题的蛋白质聚集。

当蛋白质暴露于热应激之类的应激时，它们会失去其天然结构并形成有毒的不溶性聚集体。细菌分子伴侣ClpB及其酵母同源物Hsp104具有解聚和重新激活聚集蛋白的能力。ClpB形成六聚体环结构，其原体由两个ATP酶核心AAA1和AAA2以及另外两个结构域组成，即N-结构域和M-结构域。使用ATP水解的化学能，ClpB环通过其中心孔将聚集的蛋白质与其解开。ClpB的解聚活性受围绕ClpB环外围的棒状M结构域的调节。然而，分子水平机制，例如ATP结合和水解如何改变ClpB结构以及这些变化如何诱导解聚，尚不清楚。

通过使用高速原子力显微镜(HS-AFM)，Uchihashi及其同事首次以100毫秒的时间分辨率成功观察到ClpB分子的结构变化。在ATP存在下，ClpB形成六聚体闭环和开环(图1)。环的亚基数和环结构的多态性分别通过天然质谱和负染色电子显微镜分析进一步证实。在HS-AFM观察期间，这两种构象相互转化，ATP浓度越高，闭环的数量越多。此外，闭环进一步分为高度几乎均匀的“圆形”，高度连续变化的“螺旋形”，如螺旋形楼梯，“扭曲半螺旋”其中两个半螺旋结构彼此相对(图1)。扭曲的半螺旋构象表明六聚环由两个三聚体组成。这也得到了沉降速度分析超速离心的支持。这三种构象也相互转化，结果表明ATP浓度越高，转化频率越高。这些观察结果表明，ATP结合诱导闭环形成，其水解引起圆形，螺旋形和扭曲半螺旋构象之间的显着结构变化。结果表明，ATP浓度越高，转化频率越高。这些观察结果表明，ATP结合诱导闭环形成，其水解引起圆形，螺旋形和扭曲半螺旋构象之间的显着结构变化。结果表明，ATP浓度越高，转化频率越高。这些观察结果表明，ATP结合诱导闭环形成，其水解引起圆形，螺旋形和扭曲半螺旋构象之间的显着结构变化。

根据对AAA1和/或AAA2上ATP结合或水解的ClpB突变体的观察，澄清了这两个结构域对结构动力学的个体作用。ATP与AAA1的结合诱导ClpB的寡聚化，并且六聚体状态通过ATP与AAA2的结合而稳定。圆形，螺旋形和扭曲半螺旋形式之间的结构变化是由AAA2处的ATP水解引起的(图2)。此外，闭合环的相互结构变化在M结构域突变体中显着降低，其失去解聚活性但保留ATP酶活性，表明结构变化在解聚反应中起重要作用。

蛋白质聚集与包括阿尔茨海默病在内的各种疾病密切相关。形成蛋白质聚集在医学和工业领域中使用蛋白质也存在问题。该研究的结果有可能有助于治疗这些疾病和/或维持有用的蛋白质。此外，ClpB属于AAA +蛋白家族，其含有各种重要的蛋白质，例如DNA复制，膜融合，蛋白质降解和生物钟维持。该家族的成员将AAA +结构域作为ATP酶核心共享，预计该研究的结果将阐明这些AAA +家族蛋白的共同机制。