Cell：低温电子断层扫描显示蛋白酶体储存颗粒的准晶结构

细胞将其分子组织成不同的功能区域。虽然教科书通常指的是有膜细胞器，如线粒体和细胞核，但最近的研究也揭示了没有膜的细胞器。这些包括应激颗粒和蛋白酶体储存颗粒（proteasome storage granules, PSG）。

过去，这些无膜细胞器只有在荧光显微镜下才能看到"液滴"。现在，来自马丁斯里德马克斯·普朗克生物化学研究所、哥廷根大学医学中心和多伦多大学的研究人员首次使用冷冻电子断层扫描技术，定义了PSG中分子的详细结构。结果发表在《细胞》期刊上。

蛋白酶体是一种大型蛋白质复合物，作为一个以能量为动力的"蛋白质粉碎机"，通过将特定的不需要或受损的蛋白质切成小片来消除它们。从酵母到人类，所有真核生物中都存在蛋白酶体，对生命至关重要。

蛋白酶体对于肿瘤细胞响应某些抗癌药物也至关重要。当某些营养物质或其他细胞能量来源过低时，细胞内蛋白酶体的位置会发生明显改变。作为细胞健康和功能的关键执行者，蛋白酶体是研究的重要焦点。

马克斯·普朗克生物化学研究所所长Brenda Schulman教授解释说："由于与冷冻电子断层扫描领域的先驱Wolfgang Baumeister教授合作，我们现在能够理解蛋白酶体储存颗粒如何在分子水平上发挥作用。我们知道许多分子机器会组装成无膜细胞器，但要真正理解它们的功能，我们需要看到它们的分子结构。"

蛋白酶体储存颗粒的准晶体结构

与多伦多大学结构生物学家Oliver Ernst教授合作的PSG研究专家Cordula Enenkel博士解释说："我们通过剥夺酵母细胞的葡萄糖或阻断线粒体ATP的产生，使其承受能量压力。这造成了ATP——细胞的能量来源——的短缺。作为回应，细胞通过将能量密集型蛋白酶体排列成PSG来关闭它们。"

Ernst补充说："我们认识到，可视化蛋白酶体储存颗粒的结构对于理解这种应对代谢应激的迷人细胞策略至关重要，但这在用纯化的蛋白酶体时是不可能的。"

该研究的第一作者之一、来自马克斯·普朗克生物化学研究所和哥廷根大学医学中心的Xiaomeng Tang博士解释说："我们在它们的天然环境——细胞内部——研究了蛋白酶体储存颗粒。冷冻电子断层扫描使我们能够以0.9纳米的解析度观察PSG，揭示了以前无法看到的结构细节。我们首次看到单个蛋白酶体排列成精确的、重复的、像晶体一样的结构。这提供了很多信息，因为我们所看到的与预期中PSG会组装成无定形簇或动态液滴的预期相矛盾。"

团队破译了PSG的详细组装过程。"蛋白酶体首先形成三聚体。这意味着三个蛋白酶体结合在一起。这在细胞中以前从未观察到过。"Tang继续说道。"然后这些三聚体堆叠形成纤维。纤维结合在一起形成束。"

冷冻电子断层扫描作为关键技术

共同第一作者、来自马克斯·普朗克生物化学研究所和UMG的Lu Qu博士解释说："我们只能在细胞内证明这种蛋白酶体排列，而不能在试管中。当我们试图分离PSG时，结构就解体了——这就是为什么冷冻电子断层扫描是必不可少的。"

在酵母细胞中，PSG保持完全组装但失活，因此它们在能量短缺期间不消耗能量。

Qu补充说："蛋白酶体通过特定的蛋白质-蛋白质相互作用保持在非活性状态。由此产生的准晶体组装是稳定的，但它也可以被打破。这使得一旦有能量来源可用，完全组装的蛋白酶体就能快速重新激活。当研究人员向饥饿的细胞提供葡萄糖时，蛋白酶体在一小时内就恢复到了正常的运作结构。"

范式转变：一种结构决定功能的无膜细胞器

Schulman教授解释说："这一发现通过分子机器结构良好区域之间的接触，为无膜细胞器的形成提供了新的视角。这使得PSG能够安全地储存蛋白酶体——这些蛋白酶体制造起来耗能巨大，且至关重要——作为储备，随时准备在细胞条件改善时部署。"

Baumeister教授总结说："研究细胞内部的结构，比如在天然环境中的蛋白酶体，从根本上改变了我们对细胞组织和功能的理解。"（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Xiaomeng Tang et al, Metabolically regulated proteasome supramolecular organization in situ, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2025.12.035.