作为生命的基本组成单位之一，蛋白质在细胞的生存和功能中扮演着关键角色。在人类基因组编码的蛋白质中，大约20%经由内质网途径合成。在内质网中，蛋白质经历一系列复杂的修饰过程，逐步折叠成正确的三维结构，以确保其能够顺利履行各自的生物学功能。然而，这个过程就像一场精密的工匠艺术，稍有不慎就可能导致蛋白质成为“残次品”。这些“残次品”蛋白可能失去原有的功能，甚至对细胞产生有害影响。因此，内质网不仅是蛋白质的合成场所，更是质量控制的中心。它承担着及时检测和清除这些不完美蛋白的任务，以维持内质网与细胞的稳态。由于内质网腔室内缺乏蛋白降解体系，这些错误折叠的蛋白必须运输到细胞质中进行降解，这个过程就称为内质网相关蛋白降解（Endoplasmic Reticulum-Associated Protein Degradation, ERAD）途径。ERAD的功能异常与多种疾病相关，例如囊性纤维化以及一些神经退行性疾病。研究ERAD不仅仅有助于我们更好的理解这些疾病的发病机制，还可能为开发治疗方法提供线索。

ERAD的底物是错误折叠的蛋白质，与其他小分子而言，他们体积更大，如何将其逆转运到细胞质一直以来是ERAD领域尚未揭开的神秘面纱。CY课题组于2021年解析了人源Derlin-1的四聚体结构，揭示了其作为逆转运通道的潜在分子机制。逆转运蛋白底物是一个十分耗能的过程，研究表明p97/VCP的ATP酶活性是主要的能量供应来源，然而其与逆向运输过程如何相互协作尚不清楚。

上海精准医学研究院研究员曹禹带领团队于2023年10月13日在Science Advances杂志在线发表题为The cryo-EM structure of the human ERAD retro-translocation complex的研究论文，解析了Derlin-1四聚体与p97/VCP六聚体组成的十聚体的冷冻电镜结构，并通过分析p97/VCP在不同催化状态下的复合物结构，揭示了ERAD逆转录转运与ATP酶水解活性之间的耦合机制。这项研究首次明确了p97/VCP分子马达与逆转录通道之间的相互作用, 为我们深入了解ERAD的具体机制提供了新的见解。

冷冻电镜结果表明，在这个复合物中，两种蛋白的结构与它们各自的原始结构非常相似，但由于彼此之间的相互作用，Derlin-1四聚体的C2对称性和p97/VCP的C6对称性都被打破。与以前的研究结果一致的是，这两种蛋白之间的相互作用主要依赖于Derlin-1的SHP motif与p97的NTD之间的联系。这种相互作用能够将p97/VCP的结构变化传递给Derlin-1，从而改变Derlin-1通道的形状和尺寸。这种协同的挤压作用可能提示了蛋白质底物进出通道的机制。同时，研究人员还解析了在加入不同ATP类似物的条件下复合物的结构。令人意外的是，在ADP.BeFx的条件下，Derlin-1四聚体被撕裂，形成一个敞口的U型结构，开口朝向内质网膜的脂质环境，开口的宽度超过30 埃。结构分析显示，这是由于p97/VCP的NTD构象从向上转变为向下，从而将Derlin-1的亚基互相拉开，形成了这个开口。这个开口可能使Derlin-1能够捕获更大的蛋白质底物，同时为其他ERAD成员的参与提供了平台。

基于对结构的深入分析，研究人员提出了相应的ERAD逆转运模型（见图）。首先，p97/VCP被招募到内质网膜上，与Derlin-1形成apo复合物。当遇到较大的底物时，Derlin-1的亚基被撕裂开，以便底物能够进入通道，并可能招募其他ERAD成员来协助转运。对于较小的蛋白质底物，其跨膜螺旋可以通过Derlin-1通道的侧门滑入中央孔道，然后在p97/VCP的ATP水解循环的驱动下，通过挤压被转运至细胞质。

这项工作直观地展示了逆转运通道Derlin-1四聚体与分子马达p97/VCP六聚体的相互作用模式，进一步通过功能实验验证了两者的相互作用会影响底物的降解过程，最终提供了一种ERAD可能的逆转运途径，为进一步了解和阐明ERAD的分子机制提供了新的认识。

该论文的第一作者为九院骨科与上海精准医学研究院的饶兵博士（现斯坦福大学医学院博士后）、博士生王倩以及上海市仁济医院的姚德强副研究员，通讯作者为曹禹研究员。该研究受到了科技部、国家自然科学基金与上海市高水平地方高校创新团队资助。曹禹课题组目前欢迎青年科学家作为博士后或科研助理加入科研团队。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5656