中國(guó)科大揭示了E3泛素連接酶識(shí)別羧基端精氨酸-降解決定子的分子機(jī)制
高等真核生物細(xì)胞通過(guò)降解清除不需要或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)以維持胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子的正常水平及功能，該降解過(guò)程主要通過(guò)依賴于泛素的蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）。在UPS通路中，泛素活化酶 E1、泛素結(jié)合酶 E2 和泛素連接酶 E3 協(xié)同催化泛素級(jí)聯(lián)反應(yīng)，泛素修飾底物并促進(jìn)其降解。E3連接酶復(fù)合物與底物相互作用決定了UPS的特異性。研究表明，E3連接酶復(fù)合物中的受體蛋白質(zhì)通過(guò)識(shí)別蛋白質(zhì)氨基端或羧基端特定氨基酸序列調(diào)控底物泛素化降解通路，底物末端特征序列分別稱做N-degron和C-degron。
圖1 ?FEM1C、FEM1B選擇性識(shí)別不同的Arg/C-degron
許超課題組針對(duì)Cul2 E3連接酶復(fù)合物中的受體蛋白質(zhì)FEM1家族成員FEM1A、FEM1B、FEM1C開(kāi)展研究。首先通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FEM1蛋白質(zhì)均通過(guò)氨基端含錨蛋白重復(fù)(ankyrinrepeats)的區(qū)域識(shí)別含羧基精氨酸C-degron?(Arg/C-degron)，但FEM1A/C與FEM1B體現(xiàn)出了不同的序列偏好性。我們首先解析了FEM1C分別與SIL1、NS11、OR51B2、Clone13的Arg/C-degron的4個(gè)復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)FEM1C通過(guò)雙位點(diǎn)模式特異識(shí)別含-K/R-X1-2-R的Arg/C-degron；進(jìn)而解析了FEM1B和CDK5R1C-degron的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，并與FEM1C復(fù)合物比較，揭示了FEM1B識(shí)別CDK5R1 C-degron的-G-L-X-R序列的分子機(jī)制?；诮Y(jié)構(gòu)，我們不僅揭示了FEM1A/C與FEM1B底物不同選擇性，還通過(guò)突變關(guān)鍵氨基酸將FEM1C向FEM1B改造，使突變后FEM1C偏好性從SIL1(K-X-X-R)轉(zhuǎn)向CDK5R1(G-L-X-R)。最后我們?cè)诓溉閯?dòng)物細(xì)胞中構(gòu)建基于雙熒光的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性全局報(bào)告質(zhì)粒系統(tǒng)(Global Protein Stability, GPS)。在GFP熒光蛋白質(zhì)末端融合C-degron，發(fā)現(xiàn)任何削弱或者破壞C-degron和FEM1蛋白質(zhì)相互作用的突變都會(huì)導(dǎo)致GFP更加穩(wěn)定，通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Cul2FEM1?通過(guò)識(shí)別蛋白質(zhì)Arg/C-degron有效調(diào)控蛋白質(zhì)泛素化降解過(guò)程。
圖2 ?Cul2FEM1?E3復(fù)合物通過(guò)受體蛋白質(zhì)FEM1識(shí)別Arg/C-degron調(diào)控底物穩(wěn)定性的模型
該研究共解析了9個(gè)FEM1B或FEM1C與C-degron的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了Cul2FEM1通過(guò)受體FEM1家族成員識(shí)別不同Arg/C-degron的分子機(jī)制，還基于FEM1的底物識(shí)別機(jī)制鑒定了更多Cul2FEM1潛在的新底物，并為將來(lái)以Cul2FEM1為靶點(diǎn)設(shè)計(jì)PROTAC型小分子提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。相關(guān)論文已被《Nature Chemical Biology》接收，于2021年1月4日在線發(fā)表。
許超教授課題組博士生陳新顏、特任副研究員廖善暉、Itay Koren課題組的Yaara Makaros為論文的共同第一作者。許超教授和Itay Koren教授為共同通訊作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚雪彪教授課題組、涂曉明副教授以及朱中良工程師的大力支持。研究工作獲得了無(wú)膜細(xì)胞器與細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微尺度國(guó)家研究中心、自然科學(xué)基金委以及中科院先導(dǎo)項(xiàng)目支持。
???論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41589-020-00704-3
?????????????????????????????? （生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科研部）
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