《自然》：趙明磊/劉磊團(tuán)隊揭示蛋白質(zhì)降解關(guān)鍵機(jī)制

對于自然界的萬千生命，蛋白質(zhì)的合成構(gòu)成了一切生命活動的基礎(chǔ)。另一方面，蛋白質(zhì)在完成使命后如何被機(jī)體降解，同樣是一個至關(guān)重要的問題。2004年，以色列的Aaron Cichanover教授、Avram Hershko教授以及美國的Irwin Rose教授因為揭示了泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的機(jī)制，共同被授予諾貝爾化學(xué)獎。

所謂泛素化，指的是這樣一個蛋白質(zhì)修飾過程：在一系列酶的參與下，泛素分子選出特定的靶蛋白，給它們“貼上標(biāo)簽”。隨后，這些被修飾的蛋白質(zhì)會被送入蛋白酶體，在這臺“蛋白質(zhì)粉碎機(jī)”中被切割成碎片，實現(xiàn)蛋白質(zhì)的降解。

現(xiàn)在人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種廣泛存在于真核生物中的修飾過程，調(diào)控了幾乎所有細(xì)胞過程，包括細(xì)胞分裂、DNA修復(fù)、免疫應(yīng)答等。但對于相關(guān)酶在這個過程中的具體作用機(jī)制，人們的認(rèn)識依然較為有限。

本周，在一項發(fā)表于《自然》的最新研究中，美國芝加哥大學(xué)趙明磊教授團(tuán)隊和清華大學(xué)劉磊教授團(tuán)隊合作，使用蛋白質(zhì)化學(xué)合成技術(shù)和冷凍電鏡技術(shù)深入探究了泛素化過程中的具體機(jī)制。

在參與泛素化修飾的酶中，泛素連接酶（E3酶）對于泛素化的形成至關(guān)重要。其中一種單鏈E3酶名為Ubr1，其介導(dǎo)的N端降解通路（N-degron pathway）是史上首個被發(fā)現(xiàn)的泛素降解過程。

N端降解通路決定了人體大多數(shù)蛋白質(zhì)的降解速率，而這個通路中的錯誤會導(dǎo)致錯誤折疊或受損的蛋白質(zhì)的積累，進(jìn)一步導(dǎo)致衰老過程、神經(jīng)退行性疾病、一些罕見的常染色體隱性遺傳病。而Ubr1可以識別含有N端降解子的蛋白質(zhì)，對其進(jìn)行一種被稱作K48鏈型的泛素化修飾，最終降解這些蛋白質(zhì)。

然而，盡管Ubr1已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了30多年，它如何啟動泛素化、K48鏈型泛素鏈如何延伸依然是個未知數(shù)。一個重要原因在于，級聯(lián)反應(yīng)中的中間步驟是一個瞬時、動態(tài)的過程，因此難以捕捉到反應(yīng)過程中的中間體。

在這項研究中，研究團(tuán)隊首先利用蛋白質(zhì)化學(xué)合成技術(shù)模擬了Ubr1催化反應(yīng)中的中間體。利用這些模擬的中間體，研究團(tuán)隊通過冷凍電鏡捕獲了Ubr1在介導(dǎo)啟動泛素化，以及K48泛素鏈延伸時的構(gòu)象。這些工作生成了單個分子與亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的圖像，解析了關(guān)鍵中間步驟的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

▲Ubr1開啟泛素化反應(yīng)的示意圖（圖片來源：Pan, et al, University of Chicago）

基于這些研究，研究團(tuán)隊還明確了Ubr1催化泛素化反應(yīng)的一系列關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件，從而幫助我們進(jìn)一步理解由E3酶介導(dǎo)的蛋白質(zhì)多聚泛素化的反應(yīng)機(jī)制。

論文共同通訊作者趙明磊教授表示：“在這項研究之前，對于泛素聚合物是如何形成的，我們的認(rèn)識很有限。現(xiàn)在我們終于開始認(rèn)識到，泛素是如何與蛋白質(zhì)底物結(jié)合，以及聚合物是如何形成的。對于在近原子層面理解泛素化過程，這項研究是一個里程碑式的突破。”

芝加哥大學(xué)趙明磊教授、清華大學(xué)劉磊教授和芝加哥大學(xué)于圓圓博士（現(xiàn)為上海大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授）為本文的共同通訊作者。芝加哥大學(xué)潘漫博士（現(xiàn)為上海交通大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副教授）為本文的第一作者和共同通訊作者，清華大學(xué)化學(xué)系鄭清蕓博士、清華大學(xué)生命學(xué)院博士生王天和清華大學(xué)化學(xué)系梁陸軍博士為本文的共同第一作者。

參考資料：

[1] Pan, M., Zheng, Q., Wang, T. et al. Structural insights into Ubr1-mediated N-degron polyubiquitination. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04097-8

[2] Advanced microscopes help scientists understand how cells break down proteins. Retrieved Nov 17th, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/934980