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Lon蛋白酶是一種高度保守的蛋白酶，存在于細菌、古菌和真核細胞器中。細菌Lon通過降解異常蛋白，在蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的質(zhì)量控制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時通過降解應(yīng)激反應(yīng)、毒力和群體行為相關(guān)的特定調(diào)節(jié)蛋白，在特定的細胞生理控制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

Lon組裝成同源六聚體復(fù)合物，每個單體中包括共價連接的N端區(qū)域、AAA+（與多種細胞活動相關(guān)的ATP酶）域和蛋白酶域。晶體結(jié)構(gòu)表明，AAA+和蛋白酶結(jié)構(gòu)域形成一個封閉的腔室，六個ATP酶位點朝外，六個蛋白水解活性位點朝內(nèi)。已有研究表明了與共價抑制劑結(jié)合的蛋白水解活性位點的結(jié)構(gòu)，然而，與蛋白酶活性位點結(jié)合的底物結(jié)構(gòu)尚未確定。

迄今為止，人們致力于了解蛋白質(zhì)底物如何被AAA+蛋白酶的AAA+環(huán)識別、去折疊和移位，張凱銘/張崇毅團隊在2021年10月在JBC和Science Advances連續(xù)發(fā)表兩篇文章，闡述了上述相關(guān)的研究工作。然而，關(guān)于底物在到達蛋白水解室后如何在蛋白水解活性位點水解，我們知之甚少。前人的研究報道了包括Lon在內(nèi)的幾種AAA+蛋白酶降解的蛋白質(zhì)底物會經(jīng)歷持續(xù)性蛋白水解過程，由此蛋白質(zhì)底物被切割成小肽，而不會釋放部分降解的中間體。由寡聚酶形成的“封閉室”曾被提出可以用于隔離蛋白質(zhì)底物，從而為觀察到持續(xù)性降解提供了一個直接的解釋。

2021年11月10日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張凱銘研究組和臺北中央研究院張崇毅研究組再次合作在Sciences Advances雜志發(fā)表題為“Processive cleavage of substrate at individual proteolytic active sites of the Lon protease complex”的文章。論文解析了Lon復(fù)合體和水解底物的結(jié)合結(jié)構(gòu)，揭示了Lon蛋白水解的作用機制。

在本次工作中，中科大生醫(yī)部副研究員李珊珊等人利用結(jié)構(gòu)和生化證據(jù)表明上述“封閉室”并不是此前觀察到Lon進行持續(xù)性降解的直接原因。高分辨率冷凍電子顯微鏡密度圖（2.4 ?）揭示了在每個蛋白水解活性位點上的底物多肽的清晰密度。此外，Lon與底物多肽的晶體結(jié)構(gòu)表明，底物總是通過C末端與Lon結(jié)合，而Lon的六個活性位點中的每一個都形成一個狹窄的結(jié)合槽，僅容納底物的非引物殘基；并進一步揭示了C-to-N的加工裂解機制。蛋白質(zhì)降解試驗證實，持續(xù)性降解發(fā)生在單個蛋白水解活性位點水平。此外，研究人員在底物結(jié)合槽的出口側(cè)發(fā)現(xiàn)了一個以前未被識別的酸性殘基；這種保守的非催化殘基對持續(xù)性裂解活性至關(guān)重要，可能通過與裂解中間體的羧基-羧酸酯相互作用促進持續(xù)性蛋白水解。總之，這些結(jié)果揭示了一種以前未被發(fā)現(xiàn)的Lon蛋白酶持續(xù)性降解底物的機制。

圖例：Lon的蛋白水解機制。a.MtaLonA的2.4-?冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。b.位于蛋白水解活性位點上的底物多肽冷凍電鏡密度（洋紅色）。

斯坦福大學(xué)Wah Chiu院士為該研究工作提供了寶貴意見。本研究獲得了Stanford-SLAC電鏡平臺、臺北中央研究院電鏡平臺和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)細胞動力學(xué)教育部重點實驗室及冷凍電鏡平臺的大力支持。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為該工作的第一完成單位，生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部李珊珊副研究員和臺北中央研究院博士后謝侃言為共同第一作者。張凱銘、張崇毅研究員為共同通訊作者。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9537

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）