ClpB是一種以ATP為燃料的蛋白質(zhì)分子機(jī)器，可以解聚并重新激活聚集的蛋白質(zhì)。通過使用高速原子力顯微鏡，首次可視化ClpB的構(gòu)象動(dòng)力學(xué)。ClpB形成開環(huán)和閉環(huán)，閉環(huán)進(jìn)一步分為三種形式：圓形，螺旋形和扭曲的半螺旋形。這些結(jié)構(gòu)在ATP酶循環(huán)期間相互轉(zhuǎn)化以進(jìn)行蛋白質(zhì)解聚。該研究將有助于治療與各種疾病相關(guān)并導(dǎo)致工業(yè)問題的蛋白質(zhì)聚集。

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)暴露于熱應(yīng)激之類的應(yīng)激時(shí)，它們會(huì)失去其天然結(jié)構(gòu)并形成有毒的不溶性聚集體。細(xì)菌分子伴侶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形成六聚體環(huán)結(jié)構(gòu)，其原體由兩個(gè)ATP酶核心AAA1和AAA2以及另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，即N-結(jié)構(gòu)域和M-結(jié)構(gòu)域。使用ATP水解的化學(xué)能，ClpB環(huán)通過其中心孔將聚集的蛋白質(zhì)與其解開。ClpB的解聚活性受圍繞ClpB環(huán)外圍的棒狀M結(jié)構(gòu)域的調(diào)節(jié)。然而，分子水平機(jī)制，例如ATP結(jié)合和水解如何改變ClpB結(jié)構(gòu)以及這些變化如何誘導(dǎo)解聚，尚不清楚。

通過使用高速原子力顯微鏡(HS-AFM)，Uchihashi及其同事首次以100毫秒的時(shí)間分辨率成功觀察到ClpB分子的結(jié)構(gòu)變化。在ATP存在下，ClpB形成六聚體閉環(huán)和開環(huán)(圖1)。環(huán)的亞基數(shù)和環(huán)結(jié)構(gòu)的多態(tài)性分別通過天然質(zhì)譜和負(fù)染色電子顯微鏡分析進(jìn)一步證實(shí)。在HS-AFM觀察期間，這兩種構(gòu)象相互轉(zhuǎn)化，ATP濃度越高，閉環(huán)的數(shù)量越多。此外，閉環(huán)進(jìn)一步分為高度幾乎均勻的“圓形”，高度連續(xù)變化的“螺旋形”，如螺旋形樓梯，“扭曲半螺旋”其中兩個(gè)半螺旋結(jié)構(gòu)彼此相對(duì)(圖1)。扭曲的半螺旋構(gòu)象表明六聚環(huán)由兩個(gè)三聚體組成。這也得到了沉降速度分析超速離心的支持。這三種構(gòu)象也相互轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明ATP濃度越高，轉(zhuǎn)化頻率越高。這些觀察結(jié)果表明，ATP結(jié)合誘導(dǎo)閉環(huán)形成，其水解引起圓形，螺旋形和扭曲半螺旋構(gòu)象之間的顯著結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，ATP濃度越高，轉(zhuǎn)化頻率越高。這些觀察結(jié)果表明，ATP結(jié)合誘導(dǎo)閉環(huán)形成，其水解引起圓形，螺旋形和扭曲半螺旋構(gòu)象之間的顯著結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，ATP濃度越高，轉(zhuǎn)化頻率越高。這些觀察結(jié)果表明，ATP結(jié)合誘導(dǎo)閉環(huán)形成，其水解引起圓形，螺旋形和扭曲半螺旋構(gòu)象之間的顯著結(jié)構(gòu)變化。

根據(jù)對(duì)AAA1和/或AAA2上ATP結(jié)合或水解的ClpB突變體的觀察，澄清了這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域?qū)Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的個(gè)體作用。ATP與AAA1的結(jié)合誘導(dǎo)ClpB的寡聚化，并且六聚體狀態(tài)通過ATP與AAA2的結(jié)合而穩(wěn)定。圓形，螺旋形和扭曲半螺旋形式之間的結(jié)構(gòu)變化是由AAA2處的ATP水解引起的(圖2)。此外，閉合環(huán)的相互結(jié)構(gòu)變化在M結(jié)構(gòu)域突變體中顯著降低，其失去解聚活性但保留ATP酶活性，表明結(jié)構(gòu)變化在解聚反應(yīng)中起重要作用。

蛋白質(zhì)聚集與包括阿爾茨海默病在內(nèi)的各種疾病密切相關(guān)。形成蛋白質(zhì)聚集在醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域中使用蛋白質(zhì)也存在問題。該研究的結(jié)果有可能有助于治療這些疾病和/或維持有用的蛋白質(zhì)。此外，ClpB屬于AAA +蛋白家族，其含有各種重要的蛋白質(zhì)，例如DNA復(fù)制，膜融合，蛋白質(zhì)降解和生物鐘維持。該家族的成員將AAA +結(jié)構(gòu)域作為ATP酶核心共享，預(yù)計(jì)該研究的結(jié)果將闡明這些AAA +家族蛋白的共同機(jī)制。