近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部許超教授、張凱銘教授與以色列巴伊蘭大學(xué)Itay Koren教授合作，通過解析CRL2FEM1B E3泛素連接酶與不同Pro/C-degron多肽復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了CRL2FEM1B E3泛素連接酶的二聚化組裝機(jī)制、CRL2FEM1B激活機(jī)制，以及FEM1B識(shí)別底物羧基末端降解信號(hào)Ψ-Pro/C-degron的分子機(jī)制。相關(guān)成果以在“Mechanism of Ψ-Pro/C-degron recognition by the CRL2FEM1B ubiquitin ligase”為題于2024年4月26日在線發(fā)表于《Nature Communications》。
泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)是真核細(xì)胞中主要的蛋白質(zhì)降解途徑。首先，泛素(Ub)分子由泛素激活酶(E1)、泛素偶聯(lián)酶(E2)和泛素連接酶(E3)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)被轉(zhuǎn)移至底物特定氨基酸（一般為賴氨酸），K48聚泛素化底物被引導(dǎo)進(jìn)入蛋白酶體降解。E3通過識(shí)別底物特定降解信號(hào)（degron）介導(dǎo)Ub從E2~Ub到底物的轉(zhuǎn)移。Cullin-RING E3（CRLs）作為最大的泛素連接酶家族，由多亞基構(gòu)成。CRL E3s通過不同的底物識(shí)別亞基SR識(shí)別不同C-degron以調(diào)控底物的降解。此外，CRLs 的E3活性受到NEDD8類泛素化修飾調(diào)控。許超教授課題組與國際同行的研究發(fā)現(xiàn)，CRL2 的SR亞基FEM1B除了可以識(shí)別Arg/C-degron、鋅指等degron外，還可以識(shí)別一類分別識(shí)別以脯氨酸（Pro）結(jié)尾的新底物，這類新底物大多以Pro結(jié)尾，且上游包含一個(gè)芳香族氨基酸Ψ，因而將該類底物降解信號(hào)統(tǒng)一命名為Ψ-Pro/C-degron。然而，CRL2FEM1B復(fù)合物的裝配模式以及其識(shí)別Pro/C-degron的分子機(jī)制仍然未知。
圖1：（A） CRL2FEM1B二聚化組裝受到CRL2 NEDD8翻譯后修飾調(diào)控; （B）FEM1B識(shí)別CCDC89 Ψ-Pro/C-degron的機(jī)制；（B）FEM1B識(shí)別CUX1 Ψ-Pro/C-degron的機(jī)制；（D）GPS實(shí)驗(yàn)揭示FEM1B突變降低CRL2FEM1B E3對(duì)融合有C-degron的GFP的泛素化降解
課題組在體外重構(gòu)了含五個(gè)亞基的CRL2FEM1B復(fù)合物，并解析了CRL2FEM1B分別與不同Pro/C-degron的多個(gè)復(fù)合物電鏡結(jié)構(gòu)。對(duì)CRL2FEM1B復(fù)合物組裝界面分析發(fā)現(xiàn)，CRL2FEM1B采用了兩種截然不同的二聚體組裝模式，一種為非對(duì)稱二聚體，一種為對(duì)稱二聚體。CRL2FEM1B在類泛素化（neddylation）修飾后保留了對(duì)稱性二聚化模式，并由NEDD8介導(dǎo)形成了一種新的二聚化裝配模式。即NEDD8修飾通過引入空間位阻破壞了原有的非對(duì)稱二聚體組裝，并介導(dǎo)了一種新的對(duì)稱二聚體形成（圖1A）。此外對(duì)FEM1B與CCDC89相互作用界面的分析表明，全長FEM1B蛋白質(zhì)通過雙位點(diǎn)模式同時(shí)識(shí)別底物Ψ-Pro/C-degron中羧基末端Pro與上游芳香族氨基酸Ψ，該結(jié)合模式還適用于FEM1B對(duì)于PDMB5、CUX1等一系列新底物的識(shí)別（圖1B-C）。
基于結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)引入點(diǎn)突變，與體外泛素化活性實(shí)驗(yàn)、體內(nèi)雙熒光表征的全局蛋白質(zhì)穩(wěn)定性（Global protein stability, GPS）實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，表明破壞CRL2FEM1B二聚化裝配或FEM1B與底物Ψ-Pro/C-degron相互作用，均降低CRL2FEM1B對(duì)底物的泛素化降解能力，使得底物更加穩(wěn)定（圖1D）。這項(xiàng)研究不僅揭示CRL2FEM1B調(diào)控底物蛋白質(zhì)降解的新機(jī)制，還更新了對(duì)于CRL E3s中底物識(shí)別受體功能的認(rèn)識(shí)，即底物識(shí)別受體不僅僅負(fù)責(zé)底物識(shí)別，還編碼了E3復(fù)合物組裝的結(jié)構(gòu)信息。此外，該研究所揭示FEM1B識(shí)別芳香族氨基酸的口袋，為靶向CRL2FEM1B設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)水解靶向嵌合體(PROTACs)和分子膠提供了分子基礎(chǔ)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部許超教授、張凱銘教授與以色列巴伊蘭大學(xué)的Itay Koren教授為該論文的共同通訊作者。許超教授課題組的博士后陳新顏與Itay Koren教授課題組的Anat Raiff為該論文的共同第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心完成。研究過程中得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部姚雪彪教授，張家海工程師以及哈佛大學(xué)Stephen J. Elledge教授等的大力支持。該研究工作得到細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、自然科學(xué)基金委、科技部的資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47890-5
生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-4）
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