借助冷冻电镜这一微观世界的超级放大镜，清晰解析了一种名为MtaLonC的特殊蛋白质分子机器在不同状态下的全长三维结构。研究发现，这台机器拥有两条不同的组装路线，既能拼装成六边形的“粉碎机”来清理受损蛋白，也能在高温下拼装成七边形的“保护伞”来防止细胞内的蛋白质受热凝结。这一工作生动揭示了生命体内的微观机器如何聪明地在“破坏”与“保护”两种截然不同的功能间无缝切换，为我们理解细胞如何应对环境压力提供了全新的视角。

中文标题：冷冻电镜揭开一种特殊蛋白酶的两种组装方式与双重本领

英文原题：Bifurcated assembly pathway and dual function of a Lon-like protease revealed by cryo-EM Analysis

通讯作者：

李珊珊，中国科学技术大学

张凯铭，中国科学技术大学

关键词：Lon样蛋白酶；冷冻电镜；组装；双功能酶；分子伴侣

【背景介绍】

蛋白质稳态是维持生命体健康的核心。Lon蛋白酶作为一类进化上高度保守的蛋白质质量控制系统，专门负责识别并降解机体中受损或者错误折叠的蛋白质，防止它们在细胞中聚集成灾。Lon蛋白酶对于维持代谢平衡和应对环境应激发挥着不可或缺的作用。在Lon家族成员中，来自耐热菌（Meiothermus taiwanensis）中的MtaLonC拥有分子伴侣和蛋白酶的双重身份，既可以作为“修理工”防止蛋白聚集，又能化身“清洁工”将废弃蛋白粉碎。长期以来，由于缺乏全长结构信息，科学家们只能对 MtaLonC 如何切换这两种迥异的功能进行“盲盒”式推测。

【研究成果】

中国科学技术大学的张凯铭/李珊珊团队与台湾“中研院”的张崇毅团队通过冷冻电子显微镜（Cryo-EM）技术首次详细描述了这种蛋白酶如何在不同的环境条件下调整其结构以执行不同的生物学功能。

一、多态性的“分子积木”

研究团队通过冷冻电镜观察到，在没有底物的静息状态下，MtaLonC表现出惊人的多样性。它并非以单一形态存在，而是像乐高积木一样，同时形成了开口的五聚体、开口的六聚体以及闭合的七聚体（图1）。这种“多态性”揭示了它在组装路径上的灵活性，仿佛在时刻准备着应对不同的任务指令。

图1：无底物状态下MtaLonC的多种寡聚形式与结构比对

二、底物诱导的“粉碎机”

当细胞内出现需要清理的受损蛋白或特定的抑制剂（如硼替佐米）时，MtaLonC 的组装逻辑会发生改变 。这些外来分子的结合会诱导原本松散的结构重新排列，促使蛋白质主要组装成闭合的六聚体(图1)。在这种模式下，蛋白酶内部的一个关键结构——S-loop（底物结合环），会从无序状态变为伸展的“激活态”。此时的 MtaLonC 就像一台火力全开的“粉碎机”，精准抓取并切割那些受损蛋白，维持细胞环境的整洁。

三、高温下的“变身术”

研究团队发现，随着环境温度升高，MtaLonC 的功能会发生剧烈“变身”，当温度达到 70°C 时，它的降解功能几乎完全停止。与此同时，它展现出了极强的分子伴侣活性，能够有效防止其他蛋白质因受热而发生错误凝集。冷冻电镜显示，在高温环境下，原本多样的形态全部消失，MtaLonC 变为了清一色的闭合七聚体结构。此时的 MtaLonC 顶部像触手一样的 HHE结构域（螺旋发夹延伸区） 会交织成一个巨大的“围栏篮筐”结构。这个篮筐不仅能识别底物，更在高温下化身为一把“保护伞”，牢牢稳住那些摇摇欲坠的蛋白分子。这种独特的温度响应机制展示了LonC如何通过自身的结构转换来实现功能上的“一物多用”和环境响应(图2)。

图2：MtaLonC蛋白酶的双功能组装路径示意图

【未来方向】

未来将继续通过探索不同的环境条件下以及跨物种对比来研究这种结构转换机制的是否具有普适性。并通过MtaLonC独特的结构特性来开发新型的蛋白保护剂和开发新的细菌防治策略。

【主要作者简介】

李珊珊：中国科学技术大学副教授，研究方向为细菌核糖体质量控制。主持国家自然科学基金委面上项目和青年基金项目(C类),中国科学院国际伙伴计划、安徽省自然科学基金等项目。以第一作者/通讯作者在Nature、Nature Catalysis、NSMB、Science Advances、Nature communications、Cell research、PNAS等期刊发表SCI论文40余篇。

张凯铭：中国科学技术大学特任教授，研究方向为病原RNA、核酶及长链非编码RNA的结构与机制。中国科学院引才青年项目。目前担任中国生物物理学会冷冻电子显微学分会委员。获得安徽省创新人才。至今在Nature、Science、Nature Methods、Nature Catalysis、Molecular Cell、NSMB、Nature Chemical Biology等杂志发表论文80余篇。

【引用本文】

Ming Li, Hongwei Liu, Kan-Yen Hsieh, et al. Bifurcated assembly pathway and dual function of a Lon-like protease revealed by cryo-EM Analysis. Fundamental Research, 6(2) (2026) 879-884.

【期刊简介】

Fundamental Research是由国家自然科学基金委员会主管、主办的综合性英文学术期刊。创刊于2021年，期刊立足反映国家自然科学基金资助的优秀成果，全方位报道世界基础研究前沿重要进展和重大创新性成果，提升中国基础研究和中国科学家在国际科学界的显示度和影响力，为中外科学家打造一个高端的国际学术交流平台。内容涵盖数学物理、化学化工、生命科学、地球科学、工程与材料科学、信息科学、管理科学、健康医学、交叉科学等领域，设置Article、Review、Highlight、Perspective、Commentary、Letter和News&Views等栏目。期刊已被ESCI、Scopus、DOAJ、PubMed、CAS（美国化学文摘社）、CSCD（中国科学引文数据库）、CSTPCD（中国科技论文与引文数据库）、OAJ（全球OA期刊索引）、以及COAJ（中国开放获取期刊数据库）等国内外知名数据库收录。2025年入选《FMS管理科学高质量期刊推荐列表》B区。2025年影响因子7.0，位于综合性期刊Q1区。2024年入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。欢迎广大科研工作者关注、投稿、引用！

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