冷凍電鏡結(jié)構(gòu)揭示人體內(nèi)廣譜小蛋白酶抑制劑Alpha-2-巨球蛋白的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及工作機(jī)制

人Alpha-2-巨球蛋白（human alpha-2-macroglobulin，簡(jiǎn)稱hA2M）是一種重要的廣譜抑制小蛋白酶的大型糖蛋白（四聚體，分子量720KD），在人體血液中含量豐富。hA2M可以抑制幾乎所有種類的小蛋白酶（分子量在80KD以下），以防止它們?cè)谘褐羞^(guò)量存在。同時(shí)，hA2M也是人身體內(nèi)“多才多藝”的蛋白之一，比如hA2M可以調(diào)節(jié)多種免疫細(xì)胞的功能，影響中性粒細(xì)胞的遷移和粘附并促進(jìn)巨噬細(xì)胞的吞噬和抗原提呈；hA2M 還可以結(jié)合多種細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子以調(diào)節(jié)它們的功能。

hA2M之所以如此“多才多藝”，離不開(kāi)它特殊的分子結(jié)構(gòu)：當(dāng)它處于原始構(gòu)象（native A2M， 簡(jiǎn)稱nA2M）時(shí)，其所具有的獨(dú)特的“誘餌區(qū)”氨基酸序列可以吸引幾乎所有的小蛋白酶去切割，一旦小蛋白酶將“誘餌區(qū)”切割，hA2M會(huì)迅速變構(gòu)，變成一個(gè)籠子狀蛋白（被稱為induced A2M，簡(jiǎn)稱為iA2M），將小蛋白酶捕獲并囚禁在“籠子”內(nèi)。為了清除體內(nèi)多余的小蛋白酶，變成籠子的hA2M會(huì)找到細(xì)胞上對(duì)應(yīng)的受體LRP1，并與之結(jié)合而進(jìn)入靶細(xì)胞，將小蛋白酶帶到靶細(xì)胞內(nèi)去消化。由于LRP1本身具有激活細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路的能力（包括促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，遷移，骨架重塑等信號(hào)通路），iA2M還是靶細(xì)胞（比如白細(xì)胞）的一個(gè)調(diào)節(jié)因子。另外，多種細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子還可以依賴于nA2M和iA2M的不同結(jié)構(gòu)而與nA2M或iA2M選擇性結(jié)合并調(diào)節(jié)其功能。

因此，hA2M承擔(dān)的各種生理功能依賴于其在體內(nèi)存在的兩種主要構(gòu)象：nA2M和iA2M，而對(duì)小蛋白酶的捕獲是hA2M從原始構(gòu)象向籠子構(gòu)象轉(zhuǎn)變的主要因素。正是因?yàn)閔A2M承擔(dān)的功能如此之多，其在血液中的含量可以高達(dá)2-4mg/ml。

幾十年來(lái)，研究者們一直嘗試對(duì)hA2M的原始構(gòu)象nA2M及捕捉底物蛋白酶后的誘導(dǎo)構(gòu)象iA2M進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，但一直難以獲得高分辨率結(jié)構(gòu)。主要原因是hA2M在血液中形態(tài)高度不均一，并且其中有些結(jié)構(gòu)域非常柔性。

中國(guó)科學(xué)院生物物理所朱平課題組通過(guò)對(duì)人血液中的hA2M純化，冷凍電子顯微鏡（Cryo-EM）收取數(shù)據(jù)，結(jié)合多種計(jì)算方式，克服了之前結(jié)構(gòu)解析的難題，不但得到了nA2M和iA2M的較高分辨率結(jié)構(gòu)（其單體結(jié)構(gòu)分別為3.9埃和3.7埃），還得到了hA2M從nA2M向iA2M變構(gòu)過(guò)程中一系列中間態(tài)的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)串起來(lái)精彩地呈現(xiàn)了整個(gè)hA2M的變構(gòu)過(guò)程 （圖1），使得人們可以直觀地看到這個(gè)“多才多藝”的蛋白在人體內(nèi)是如何上演“變形記”以及行使其功能的過(guò)程。