上海生科院PI最新Nature子刊发表分子伴侣新机制

中科院上海生科院生化与细胞所的丛尧研究组利用高分辨率冷冻电镜技术，报道了两种状态下的多聚体分子伴侣素TRiC冷冻电镜结构，揭示了TRiC的一个阶段性ATp结合机制，为了解TRiC 核苷酸循环如何与其自身折叠状态准备之间相互协调提出了新的观点。

这一研究成果公布在10月24日的Nature Structural & Molecular Biology杂志上，文章的通讯作者是中科院上海生科院生化与细胞所的丛尧研究员，丛尧研究员2013年入选获中科院“****”和国家基金委“优秀青年”基金资助。研究方向主要为分子伴侣协助下蛋白质折叠与解聚的结构生物学。

分子伴侣(chaperone)是一类可以协助细胞中蛋白质正确折叠的分子机器，其中真核细胞中双环背对背堆叠的多聚体分子伴侣素(chaperonin) TRiC（TCp-1 ring complex）是最为复杂的分子伴侣，也可以称为CCT (chaperonin containing TCp-1)。TRiC可以帮助5-10%胞质蛋白的折叠，包括许多重要的结构和调节蛋白。然而，由于其结构的复杂性导致对此重要分子机器的结构知之甚少。

在这项研究中，丛尧研究组报道了两个酿酒酵母中 TRiC 的冷冻电镜结构，分别为最新识别的部分预加载核苷酸（Npp）状态（分辨率4.7-Å），以及ATp绑定状态（分辨率4.6-Å）。

研究人员通过内部亚基 eGFp 标记，发现了开放状态下TRiC的亚基位置，和CCT2亚基对形成的一个出乎意料的Z形结构。ATp结合绑定会导致CCT2端出现一个巨大的构象变化，这表明CCT2在TRiC变构协同中发挥了至关重要的作用。

这项研究提出的结构和生化数据揭示了TRiC的一个阶段性ATp结合机制：首先会预加载核苷酸到Npp-TRiC 的CCT6端，这证明了TRiC 已经进化成为了一种结构上分为两端的复合物。这项研究也为了解TRiC 核苷酸循环如何与其自身折叠状态准备之间相互协调提出了新的观点。
（生物通：张迪）

作者简介：
丛尧
研究员，研究组长，博士生导师

个人简介：
1995年7月辽宁师范大学获学士学位；2000年7月吉林大学获博士学位。2000年9月至2001年10月，在中科院大连化学物理研究所从事博士后研究工作。2001年11月至2005年5月，先后在美国Scripps研究所及德州大学休斯顿健康信息中心的Willy Wriggers研究组任博士后。其中2004年1月至2005年12月获美国W. M. Keck 基金会postdoctoral Fellowship资助。2005年6月至2011年7月，美国Baylor College of Medicine，先后任Research Associate, Instructor。2011年7月起，任中科院上海生科院生化与细胞所研究员、博士生导师。获中科院“****”（2013年）和国家基金委“优秀青年”（2013年）基金资助。

研究方向：分子伴侣协助下蛋白质折叠与解聚的结构生物学
研究工作：
研究组致力于解析分子伴侣协助下的蛋白质折叠与解聚的机理。主要实验手段包括超低温冷冻电镜(cryo-EM)单颗粒重组以及低温电子断层扫描技术(cryo-Electron Tomography)，并结合生物信息学和分子柔性装配等计算工具。

蛋白质折叠中的缺陷通常伴随着许多人类疾病，包括癌症及蛋白聚集引起的神经退行性疾病，如帕金森氏综合症和亨廷顿舞蹈病等。分子伴侣(chaperone)是一类可以协助细胞中蛋白质正确折叠的分子机器，其中真核细胞中双环背对背堆叠的多聚体分子伴侣素(chaperonin)TRiC/CCT是最为复杂的分子伴侣。它可以帮助~5-10%胞质蛋白的折叠，包括许多重要的结构和调节蛋白。然而，由于其结构的复杂性导致对此重要分子机器的结构知之甚少。我们的研究兴趣在于解析分子伴侣如TRiC是如何识别并结合它的底物，三磷酸腺苷(ATp)触发下其构象变化与底物蛋白正确折叠之间的相互关系。长期着眼，我们会进一步研究重要分子伴侣极其cochaperone之间如何相互作用来共同协助底物蛋白质的折叠与解聚。

我们的另外一个研究方向是二维图像对位(image alignment)方法及分子柔性装配(flexible fitting)工具的发展及其在cryo－EM数据处理中的应用。我们发展了创新性的二维快速转动匹配方法，简称FRM2D。该方法不仅计算精度高于传统方法并且极大缩减了计算时间。此方法已成功应用于十余个中、高分辨率大分子复合物结构的三维重组过程中。此外，FRM2D方法已被嵌入冷冻电镜领域三大应用最广泛的单颗粒重组软件包之一EMAN之中，供其在世界范围内的用户免费使用。

原文摘要：
Staggered ATp binding mechanism of eukaryotic chaperonin TRiC (CCT) revealed through high-resolution cryo-EM

The eukaryotic chaperonin TRiC (or CCT) assists in the folding of 10% of cytosolic proteins. Here we present two cryo-EM structures of Saccharomyces cerevisiae TRiC in a newly identified nucleotide partially preloaded (Npp) state and in the ATp-bound state, at 4.7-Å and 4.6-Å resolution, respectively. Through inner-subunit eGFp tagging, we identified the subunit locations in open-state TRiC and found that the CCT2 subunit pair forms an unexpected Z shape. ATp binding induces a dramatic conformational change on the CCT2 side, thereby suggesting that CCT2 plays an essential role in TRiC allosteric cooperativity. Our structural and biochemical data reveal a staggered ATp binding mechanism of TRiC with preloaded nucleotide on the CCT6 side of Npp-TRiC and demonstrate that TRiC has evolved into a complex that is structurally divided into two sides. This work offers insight into how the TRiC nucleotide cycle coordinates with its mechanical cycle in preparing folding intermediates for further productive folding.