人源Derlin-1/p97复合物冷冻电镜结构揭示内质网相关降解中新型六聚体通道的分子机制

《Communications Biology》：Cryo-EM structure of the human Derlin-1/p97 complex reveals a hexameric channel in ERAD

【编辑推荐】内质网相关降解（ERAD）途径如何介导错误折叠蛋白的逆向转运是细胞稳态维持的核心问题。本研究通过冷冻电镜解析了人源Derlin-1与p97/VCP形成的非经典6:6异源十二聚体结构，发现其可形成直径达36?的跨膜通道，较传统四聚体通道具有更大的底物容纳能力。该研究揭示了p97的ATP酶活性通过构象变化调控通道寡聚化状态的分子机制，为理解大分子底物逆向转运提供了结构基础。

　　

在真核细胞的精密工厂中，内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）承担着蛋白质合成、折叠与修饰的重要使命。然而这个精密系统时常面临挑战——约三分之一新合成蛋白质会出现折叠错误。细胞进化出内质网相关降解（ER-associated degradation, ERAD）作为质量监控系统，其核心环节是将错误折叠蛋白从ER腔逆向转运至胞质进行蛋白酶体降解。这一过程中，Derlin家族蛋白与AAA+ ATP酶p97/VCP构成的逆向转运机器如同分子级别的传送带，但其工作机制尤其是大分子底物的转运机制始终是领域内亟待破解的谜题。

以往研究认为，人源Derlin-1通过形成四聚体通道，与六聚体p97组成4:6复合物进行工作。但《Communications Biology》最新发表的研究通过冷冻电镜技术捕获了这一复合物的全新形态——6:6异源十二聚体结构，揭示了ERAD机器令人惊讶的结构可塑性。这一发现不仅重新定义了Derlin-1的寡聚化潜能，更为大分子底物逆向转运提供了结构解释。

关键技术方法

研究团队通过共表达截短型人源Derlin-1（Derlin-1^Δ215-239）和p97（p97^Δ1-20）在Sf9昆虫细胞中制备复合物，利用链霉亲和素树脂进行亲和纯化。在ADP·BeFx存在条件下，通过冷冻电镜单颗粒分析技术解析3.55?分辨率结构，采用C3对称性处理获得核心区域2.7?分辨率的电子密度图。通过HEK293T细胞模型进行化学交联实验验证二聚体界面关键残基功能。

整体C3对称性结构

研究揭示的Der-p97 6:6复合物呈现出完美的C3对称性架构，与经典4:6复合物的对称性错配形成鲜明对比。六聚体Derlin-1并非由六个单体直接组装，而是通过三个二聚体单元（标记为二聚体i-iii）进一步三聚化形成。

二聚体内部通过L27、L31、P66、L73与I165、I166、V170间的疏水作用及K30-Y164氢键稳定，而二聚体间最近距离达5?，呈现非接触式松散组装，提示六聚体形成依赖p97的支架作用。

六聚体与四聚体通道比较

结构比对显示，六聚体通道中央隧道最窄处直径超过36?，较四聚体通道（12-15?）显著扩大。

“U”形四聚体构象中四个亚基占据近正六边形的相邻顶点，如同缺失两个亚基的不完整六聚体，提示六聚体可能通过向“U”形四聚体引入额外二聚体形成。突变实验证实界面关键疏水残基（V170A、L31A）可破坏二聚体形成。

p97亚基构象特征

六聚体复合物中所有p97^NTD均采用新型构象IV，处于构象I与III之间的中间状态，与4:6复合物中Derlin-1结合的p97^NTD高度相似。

这种一致性表明p97通过构象变化主动调控Derlin-1寡聚化状态。

讨论与展望

研究提出动态模型：p97先与Derlin-1四聚体形成4:6复合物，在ATP水解驱动下转变为“U”形侧开构象，进而招募额外Derlin-1二聚体组装成6:6复合物。

ADP·BeFx条件下6:6复合物的优势存在提示该状态可能与ATP水解循环中的特定阶段相关。通道内的未建模密度可能对应磷脂或底物跨膜段，缓解大通道可能引起的膜泄漏风险。

AlphaFold3预测分析支持Derlin-1自身倾向形成四聚体而非六聚体，强调p97的支架作用。虽然六聚体通道可能适应大分子底物，但其生理功能验证仍需克服结构复杂性带来的突变设计挑战。其他ERAD因子如UFD1/NPL4、HRD1等可能通过空间位阻或调控p97活性影响寡聚态平衡。

该研究突破性地揭示了ERAD核心元件的高度动态特性，阐明p97的六聚化本性如何引导Derlin-1通道呈现四聚体、六聚体及侧开构象的多样性。这些发现为理解不同尺寸底物的逆向转运提供了结构框架，对神经退行性疾病等ERAD相关病理机制研究具有深远意义。