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ヒトPA200とPA200-20Sの複合体の低温電子顕微鏡構造から、プロテアソームのゲート開口とPA200の2つの開口が制御されていることが明らかになった
Cryo-EM structures of the human PA200 and PA200-20S complex reveal regulation of proteasome gate opening and two PA200 apertures.
PMID: 32134919 PMCID: PMC7077846. DOI: 10.1371/journal.pbio.3000654.
抄録
プロテアソームは、細胞内の不要なタンパク質を除去するプロテアーゼ複合体です。プロテアソームアクチベーター200（PA200）は、一本鎖ATP非依存性の核内プロテアソームアクチベーターとして、20Sコア粒子と結合してプロテアソーム複合体を形成し、アセチル化ヒストンのポリユビキチン非依存性分解を触媒し、DNA修復や精子形成に重要な役割を果たしています。本研究では、ヒトPA200-20S複合体の2.72Å、PA200の3.75Åの低温電子顕微鏡構造を示した。PA200は、20Sを覆うドーム状の構造を持ち、そのC末端のYYA(Tyr-Tyr-Ala)を用いてαリング再配列と20Sゲートの部分的な開口を誘導している。また、PA200は、(5,6)-ビスイソホスホイノシトール四リン酸(5,6[PP]2-InsP4)とイノシトールヘキサキスホスフェート(InsP6)を結合する多数の正電荷残基によって形成された2つの開口部を有しており、これらがアンフォールドされたタンパク質をPA200を通過して20Sへと導くゲートである可能性があることを示しています。また、PA200の構造解析の結果、PA200のブロモドメイン（BRD）様（BRDL）ドメインは、短いZAループのために82残基しか含まれておらず、8つの典型的なヒトBRDファミリーのいずれにも分類できないことから、他のヒトBRDと比較して、かなりの配列変異を示していることがわかりました。以上の結果から、PA200が誘導する基質分解のための20Sゲートオープンについての重要な知見が得られ、アセチル化を介したプロテアソーム分解におけるH4ヒストンの認識機構の解明につながることが期待されます。
Proteasomes are highly abundant and conserved protease complexes that eliminate unwanted proteins in the cells. As a single-chain ATP-independent nuclear proteasome activator, proteasome activator 200 (PA200) associates with 20S core particle to form proteasome complex that catalyzes polyubiquitin-independent degradation of acetylated histones, thus playing a pivotal role in DNA repair and spermatogenesis. Here, we present cryo-electron microscopy (cryo-EM) structures of the human PA200-20S complex and PA200 at 2.72 Å and 3.75 Å, respectively. PA200 exhibits a dome-like architecture that caps 20S and uses its C-terminal YYA (Tyr-Tyr-Ala) to induce the α-ring rearrangements and partial opening of the 20S gate. Our structural data also indicate that PA200 has two openings formed by numerous positively charged residues that respectively bind (5,6)-bisdiphosphoinositol tetrakisphosphate (5,6[PP]2-InsP4) and inositol hexakisphosphate (InsP6) and are likely to be the gates that lead unfolded proteins through PA200 and into the 20S. Besides, our structural analysis of PA200 found that the bromodomain (BRD)-like (BRDL) domain of PA200 shows considerable sequence variation in comparison to other human BRDs, as it contains only 82 residues because of a short ZA loop, and cannot be classified into any of the eight typical human BRD families. Taken together, the results obtained from this study provide important insights into human PA200-induced 20S gate opening for substrate degradation and the opportunities to explore the mechanism for its recognition of H4 histone in acetylation-mediated proteasomal degradation.